軌道客車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)準(zhǔn)確性研究

丁學(xué)彬

摘要：在軌道客車整車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試前，需要首先保證整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，從而使得試驗(yàn)測(cè)試中得到的數(shù)據(jù)，可以與有限元分析值進(jìn)行比對(duì)，減少由于試驗(yàn)測(cè)試中測(cè)試設(shè)備及邊界條件所引起的誤差，進(jìn)而使其滿足軌道客車行業(yè)的分析與試驗(yàn)對(duì)比誤差標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：軌道客車；車體靜強(qiáng)度；試驗(yàn)測(cè)試；準(zhǔn)確性

一、應(yīng)變片分類及原理

對(duì)于平面應(yīng)變問(wèn)題，一點(diǎn)的應(yīng)變狀態(tài)包括兩個(gè)正應(yīng)變和1個(gè)剪應(yīng)變，一點(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)的二維圖如圖1所示。

一般測(cè)試條件下，剪應(yīng)變難以通過(guò)直接進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試的方法得到。因此，對(duì)于未知主應(yīng)變方向的二維應(yīng)變狀態(tài)，一般需要布置由3個(gè)不同方向的單向應(yīng)變片組成的應(yīng)變花以得到不同方向上的線應(yīng)變，然后通過(guò)各應(yīng)變分量之間的關(guān)系得到一點(diǎn)應(yīng)變狀態(tài)。測(cè)試常用的應(yīng)變花，如圖2所示。

應(yīng)變花計(jì)算需分別計(jì)算0°，45°和90°數(shù)據(jù)，其分別表示應(yīng)變花中各方向的應(yīng)變（試驗(yàn)中，ε0，ε1，ε2角度分別對(duì)應(yīng)θ0=0°，θ1=90°，θ2=45°）。最大主應(yīng)變、最小主應(yīng)變、等效應(yīng)變將按以下公式分別計(jì)算：

式中，εmax為最大主應(yīng)變，εmin為最小主應(yīng)變，為等效應(yīng)變，ν為泊松比。

二、試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)建立

在軌道客車整車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)前，為保證整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行系統(tǒng)性的驗(yàn)證試驗(yàn)，本次驗(yàn)證試驗(yàn)所用應(yīng)變片為單向應(yīng)變片及三軸45°應(yīng)變花，整個(gè)驗(yàn)證試驗(yàn)具體做法為：整個(gè)試驗(yàn)裝置將一個(gè)5mm厚的材質(zhì)為A588-A的長(zhǎng)方形樣件固定在約束端，質(zhì)量為25kg的配重塊懸掛在自由端。

將不同方向的單向應(yīng)變片、應(yīng)變花按不同的距離粘貼在試驗(yàn)樣件上，其中T1為軸向單向應(yīng)變片，T2為45°應(yīng)變片，T3為橫向單向應(yīng)變片，TR1、TR2及TR3為不同位置粘貼的應(yīng)變花，具體位置參數(shù)詳見圖3所示。25kg的載荷會(huì)引起桿的彈性變形，對(duì)其進(jìn)行理論計(jì)算，以得到預(yù)測(cè)沿桿長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)變值（如有效應(yīng)變、主應(yīng)變）。本試驗(yàn)具備與整車試驗(yàn)一致的設(shè)備安裝及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖3 試驗(yàn)樣件貼片尺寸

該驗(yàn)證試驗(yàn)選取兩種不同的質(zhì)量及長(zhǎng)度組合去完成，共有以下兩種試驗(yàn)組合：試驗(yàn)1為施加相對(duì)較重的配重塊（25kg），該配重塊懸掛在短長(zhǎng)度（280mm）上；試驗(yàn)2有相對(duì)較輕的重量（6kg），懸掛在較長(zhǎng)的長(zhǎng)度（540mm）上。這兩個(gè)試驗(yàn)的設(shè)計(jì)值分別占到該樣件彈性承載能力的一定比例（試驗(yàn)1為100%，試驗(yàn)2為46%），同時(shí)在垂向載荷施加點(diǎn)達(dá)到最大20mm的撓度。

該試驗(yàn)需要建立和試驗(yàn)樣件同尺寸的有限元分析（FEA）模型，以驗(yàn)證與整車車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)相關(guān)的有限元方法的正確性。

該試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)的建立與車體靜強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試緊密結(jié)合。因在傳統(tǒng)軌道客車車體靜強(qiáng)度布點(diǎn)工作中，門角、窗角等位置通常按45°角布置單向片。但經(jīng)過(guò)大量分析試驗(yàn)對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)以上位置通常并不一定在45°角處發(fā)生最大應(yīng)變。因此為對(duì)比此類關(guān)鍵位置分析與試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在該試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)中分別布置單向應(yīng)變片及應(yīng)變花，以消除方向性的誤差，達(dá)到更切合實(shí)際的局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化試驗(yàn)及分析對(duì)比。

三、試驗(yàn)測(cè)試

在本驗(yàn)證試驗(yàn)完成以上兩個(gè)試驗(yàn)并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，將實(shí)測(cè)應(yīng)變與手工計(jì)算和有限元計(jì)算得到的應(yīng)變預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較?；谝陨险紫到y(tǒng)的幾何模型，建立ANSYS有限元模型。該模型中應(yīng)用的網(wǎng)格尺寸及模擬方法與用于整車靜強(qiáng)度試驗(yàn)相關(guān)的整車有限元模型的方法一致。包括用于在試驗(yàn)測(cè)試中基于以上兩種配重塊的試驗(yàn)分析在試驗(yàn)方案確定下來(lái)即需要開展，將理論計(jì)算結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行初步對(duì)比。其中理論計(jì)算，用參數(shù)化的計(jì)算方式實(shí)現(xiàn)，通過(guò)輸入已知的位置，材料性能等基本參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)論

本次系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)通過(guò)兩次試驗(yàn)進(jìn)行有限元、理論計(jì)算值與測(cè)試值等效VonMises應(yīng)變值比較，得到單向應(yīng)變片理論與試驗(yàn)值最大誤差為12%，有限元分析指與試驗(yàn)值最大誤差為9%，表明該系統(tǒng)對(duì)單向應(yīng)變片的測(cè)量精度可以滿足大部分情況下的試驗(yàn)需求，符合相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)兩次試驗(yàn)進(jìn)行有限元、理論計(jì)算值與測(cè)試值等效VonMises應(yīng)變值比較，得到應(yīng)變花理論與試驗(yàn)值最大誤差為6%，有限元分析指與試驗(yàn)值最大誤差為10%。以上結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)應(yīng)變花的測(cè)量精度可以滿足大部分情況下的試驗(yàn)需求，符合相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

此類系統(tǒng)性的驗(yàn)證試驗(yàn)，為軌道車的整車靜強(qiáng)度測(cè)試提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)；可以反映試驗(yàn)整體測(cè)試系統(tǒng)的有效性及誤差率，在整車系統(tǒng)性對(duì)標(biāo)過(guò)程中具有重要的參考價(jià)值。

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（作者單位：中車唐山機(jī)車車輛有限公司）