外文翻译--汽车复合材料悬架摆臂的实验分析.doc

中文译文汽车复合材料悬架摆臂的实验分析M.PINFOLD和G.CALVERT(UniversityofWarwick/RoverGroupGaydon,UK)摘要：减轻汽车自重和简化零件能获得应用,罗孚公司开始研究复合材料零件的设计与制造。在大规模的汽车工业中，从设计到制造的各个环节中，较多的是针对钢件,对于复合材料零件尚未有很好的研究。复合材料的基本研究方法已经出现，其中最重要的是有限元技术，同样可以通过对原型的光弹性分析和应变测量模式及传统应变检测来提高效果。这些少量的工作已经可以把结果联系起来，这些结果中包含了不同的测试方法，并且采用了基于实际结果的测试手段来加以比较。这篇文章阐述了一些关于汽车悬架臂的分析与测试。应用三种不同的分析技术得到的结果，与实验测试进行比较，并对它们的准确性进行了讨论。关键词：汽车的悬架摆臂、应力分析、有限元分析、光弹性分析、SPATE、应变测量、模压塑料板材Sol和dewilde1阐述过复合材料已经迅速地成为一种结构材料。原因是复合材料具有高强度和高硬度，这些性质可以降低结构的重量。也许复合材料最重要的特征是它们的力学性质可以“配置的”，以此来满足特殊的要求。然而，约翰逊等2说明了在复合材料在用于轿车和卡车之前，它的设计、分析和制造技术仍需要重点的开发和成功的论证。复合材料不得不在工程领域与钢材相竞争。在汽车工业中需要有相关的部门来转换某些技术就像华威大学的先进技术中心，该中心拥有材料学家、汽车工程师，他们致力于研究复合材料以此来替代像钢这种传统材料，这就要求汽车设计者需要充分掌握材料的强度和局限性。只有这样他们才能在概念设计阶段从众多的可选方案中选择其一。对于这些问题需要汽车工程师们在设计、测试以及零部件的制造当中掌握复合材料的性质，及其多种分析方法。例如：有限元分析、SPATE和光弹性分析。这些分析方法在复合组合体的设计与开发中得到应用。这样少量的工作似乎完成了研究过程，但这些结果是否包括：通过各种分析方法找出相互见的关系或者通过测试实际的组合体得到实际的实验结果。为了研究用复合式组合体表示的汽车下悬架臂，采取了不同的分析方法，从而找出这些方法的适用范围及其相互关系。这个复合组合体在现实受载情况下通过三种方法分析，而且实验的结果中包含了应变测量。1设计原先的钢制下悬架臂由9块组件焊接在一起的,然而重新设计的复合材料组件如图1.它是一个独立的模压零件,用来制造悬架臂的材料是模压塑料板材材料它是聚酯树脂粘合剂加上30%含量的不规则排列的短玻璃纤维,以及碳酸钙填料。钢制悬架臂质量为2.53千克，然而重新设计的用模压塑料板材材料制成的悬架臂，就算把衬套和球节的质量加到一起总质量也不过为1.5千克。组合悬架臂材料的性质在这些分析中可以得出，测试在罗孚材料实验室已完成，得出如下的选择：杨氏模量=10.5Gpa，泊松比=0.26，密度=1.8×10-6kg/mm-3.实验技术先前承担实验分析的是一种实际的工程零件。当采用模压塑料板材时，最初的一些有效工作需要有足够的技术条件来支撑。因此，平板、横杆和圆盘由模压塑料板材制成时，那么要在设计部件工作之前就要加载各种不同的条件来分析它们。大部分有效的测试要通过应变测量及其有限元分析。尽管模压塑料板材不是一种均质材料，它在生产工艺中由一些纤维定位，但为了分析这种材料我们要假设它是均质材料。同样，用模压塑料板材制成的悬架臂已经被离散化，主要的纤维分布在加强肋处，分析实验结果之间的联系会发现这个假设是可行的。应变测量在着手做实验测试任务之前，复合组件是由它的橡胶安装衬套安装在一个相对坚固的结构上。由于很难考虑到各种条件在做实验时要假设处于最坏的情况下，最坏的情况是在加载“pot-hole制动”时。这个实验是试图模拟汽车以30mph的速度突然进入此状态，此时制动器完全处于冲击点上。这个时候的合力和横向载荷的计算是以汽车的重量和速度来测算的。全部的pot-hole加载是不可能完全作用于零件的，还有由于pot-hole加载的应用以及结果的换算，这会导致作用在同一方向上的载荷减少。在全部pot-hole制动情况下，载荷作用在“x”方向为24.2KN，在“y”方向上是8.2KN轻载荷时“x”方向是5.9KN,在“y”方向上是2.02KN如图1.应变仪由6个坐标多片组合式应变片和13个2.5mm长的单极应变片组成。要选择合适的组件半径，这样才能测得最大的应变值。应变片放在球节附近，因为这个位置受到载荷，还要将应变片放在车身安装连接衬套的内壁上，因为着这个位置是联接悬架臂与副车架的。其余的应变片放在加强肋和防侧倾稳定杆连接安装位置的附近。SPATE分析Anti-RollBarMounting(防侧倾稳定杆连接)BallJointHousing(球铰窝)BodyMounts(车身安装连接)2SPATE常用作确定零件的表面应力，通过研究在周期性载荷条件下零件温度的细小变化，而得出其所受的应力值。SPATE设备包括：一个带有扫描探头的检测装置，一个模拟信号处理装置和一个数字式电子信息装置。整个系统的工作原理是这样的，当一个结构受到周期性载荷时，该系统可以检测出一瞬间此结构的温度变化。红外线探头可以扫描此结构，并且可以从受载系统中测出参考信号的输出值。数字式电子信息装置通过参考信号可以检测出感应应力的热偏差量。此时一种彩色的轮廓曲线图绘出，图显示出此时主应力（1+2）之和，同时直方图也显示出有用的数值。信号的这个相互关系有效地去除了其它不同的受载系统信号的频率。例如，周围介质的温度。SPATE系统的温度分辨力达到0.001°C,空间分辨力小于1mm。这种分析已经得到一些作者3-16的验证，并且已经用于非均质材料，如复合材料，并且从这样的研究中比较理论的或有限元分析的结果，以此可以确定一些少量的错误（6%），这些少量的错误是由于在材料数据的使用上不准确4。很明显研究热弹性应力的分析，以此来评估各向异性的复合材料，这种材料比均质的材料更复杂化。然而，这项技术能提供许多有用的信息，诸如：应力分布、表面检测效果和裂缝增长预测信息。它可以确定已给正确的、详细的材料特性以及依赖材料各向异性程度的定性结果，包括：膨胀系数。先前是对悬架臂进行了全面的SPATE分析，这个分析是要确定用于实验的材料的校准系数。有两种方案可以测得系数，一是在材料的盘形的任一边加载压力并且与采用理论方法产生的SPATE输出值相比较得出系数，或者通过应变仪直接测出零件在均匀区域的应力分布，从而直接获得与SPATE输出值的比值。虽然在这种情形下以上两种方法才适用，但通过应变仪直接校准，以便解决众多问题。这样的话从SPATE输出的数值中可以获得重要的信息。光弹性分析大多数光弹性分析研究是用来检查复合材料在受宏观力作用后的效果的。它是采用光弹性涂层技术来分析其作用效果的。这样做是为避免构建复杂的各向异性的光弹性模型，并且这样构建的组合体失去了透明度以至不能分析。然而，对于复杂纤维层，只有一种方法来处理光弹性分析并且这样的一些研究已经用于复合材料的研究17-30。从那样的分析中可以得到合理的结论，但这种分析要求材料有必须的透明度。可是复合组合体要采用这种研究方法，因此从模压塑料板材和假设的均质材料中来制造，那么将会简化光弹性模型的构建。为了进行光弹性分析，需要构建悬架臂的一个三维的环氧树脂模型。该模型以典型的方式按比例缩小，并且受到循环的“应力点”的作用。在这种温度下杨氏模量发生了变化，而且模型在此条件下已变形。为了避免不均匀温度引起的热应力，此模型需要慢慢冷却。在冷却循环中模型的变形与所受的应力限制了该模型。在偏振光下观察三维模型是不规则的边的堆砌。为了确定在任一点上主应力的大小和方向，切片在偏振光下检测时需要清理。通过计算模型的应力干涉边纹的数量，可以算出并转换为组件的实际受载情况。这样做可以算出模型和组件材料之间的比值，以及载荷和空间参数之间的比值。下悬架臂通过橡胶安装衬套安装在车架上的，至于模拟这些安装衬套的合理性已经展开研究。然而实验用的硅和泡沫橡胶处于高温环境中时，衬套的硬度会降低，不能保持其工作状态。这样的话光弹性分析要假设悬架臂是整体安装的。有限元分析3模型化的复合式悬架臂用了大约1300STIF45ANSYS实体元件，悬架臂通过橡胶安装衬套安装在副车架上，可以模拟出弹性元件衬套所表示出的刚性，还可以模拟出真实的受载零件。有限元模型通过在球节处的发光元件来进行模拟受载。三种加载情况是用ANSYS有限元分析软件来分析的。第一种情况是模拟全pot-hole制动载荷。第二种情况由于测试设备的局限在模拟轻载荷是得到的数值要与用测量得到的数值比较。以上两种情况都是用弹性元件来模拟橡胶安装衬套的刚性。第三种情况还是轻载，但是这次省略了弹性元件。就像模拟化的悬架臂要实体安装一样，第三种情况需要有SPATE和光弹性分析它们之间的相互关系。结论1.有限元分析悬架臂的分析表明了在受载情况下组件的最大等应力非常接近在pot-hole情况下所给材料的最大抗拉强度。这意味着组件要采用不同的材料来加工，或者在组件受高强度应力的位置采用其余的材料。由于电脑磁盘空间的限制，在有限元模型中所用的一些元件相对来说较少，并且在整个安装衬套范围内所使用的元件的尺寸由于太大了，以至于不能检测任何密集的应力。另外，鉴于组件的几何结构、混合砖、以及四面的边，这些使得多种元件在这些位置上趋于刚性。以至于得不到好的或者是不推荐使用的结果，那么就不得不需要在这些高应力梯度区域模拟出更小的元件。2.光弹性分析假设用于光弹性分析的悬架臂模型通过在前后方向上加载，使得最大应力分布在水平面上。虽然在实际中，由于特定区域的几何形状的影响使得上述结果严格来说并不是十分正确，但是假设也是建立在大量准确的结果之上的。如果在特定区域内有明显的偏差，那么可能是由于不同平面上的切片所引起的。最大应力发生在球铰窝和车身安装连接附近。因为光弹性分析能精确定位在微小区域上的高应力，所以通过光弹性分析得到的最大应力比用应变测量仪测得的最大应力要大。例如：最大应力水平分布于前车身安装连接上，最大值可达43MP其数值大于用SPATE测得的26MP。通过检查光弹性模型的切片可以解释以上两者的差别，检查结果显示，最大应力仅产生跨度在3mm左右的位置上，而且应力在跨度两边上应力都在25MP左右。3.SPATE分析最初的SPATE检测能测出位于安装位置以及一些张紧力或者压力混合的位置。因为橡胶安装衬套在应变测量仪测试时已发生了变形，所以要找出关于有关悬架臂、车身安装连接臂位置移动所引起的问题。如果有必要SPATE可以装上运动补偿装置，它可以及时地用检测装置中的扫描镜来偏转试验样品的波动，从而消除了波动。然而在某些特殊情况下，不能同时消除在整个区域内的波动。这样的话有必要去掉橡胶衬套换用铝制衬套。SPATE分析法反复分析实体衬套并且显示出在前车身安装连接周围之间位置的高抗拉应力（26MP）。遗憾是没有一个SPATE分析可以着手分析组件的末端球节，因为要提高载荷适应性是很难的，需要有液压执行机构提供循环载荷。比较结果应当说明的是表格中所引用的应力值都是来源于应变测量仪的测量值，这些测量值是由多片