承载式车身强度试验分析研究
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随机信号常采用频谱分析方法。 如图 8～图 10 所示，此承载式车身低频作用产生的应变大，这与 理论分析和实践相符合。 如图所示， 应变较大的 点，频率很少大于 20Hz。 另外，此分析结果可以与 模态分析结果进行相互印证， 对承载式车身模态
1．06
Mag． ／ με
0．53
0．00 0．00
0．96
试验结果分析表明， 整车应变较大的点主要 在前门和中门、第 8 和第 9 截面梁、前悬纵梁和后 悬纵梁及车身侧围处。 其中应力最大的 99 点在 3σ 处应力为 61.5MPa。 试验车车身采用 16Mn 钢， 其静态许用 应 力[σ]=211～238MPa，考 虑 动 载 和 疲 劳载荷的作用（动载安全系数取 2.5，疲劳安全系 数取 1.6），动态许用应力[σd]= 52.7～59.5 MPa。 按 照 3σ 原则，此承载式车身强度在极限状况下可能 存在危险。 但车身其他各处强度过高，在 3σ 处应 力很少大于 30MPa，强度设计偏于保守，且强度分 布不均，有待进一步优化改进。
2011 年第 5 期 2（0总11第年23第8 5期期）
农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL E农Q业UI装PM备E与NT车&辆V工E程HICLE ENGINEERING
No．5 2011 （Totally 238）
【 车辆工程技术 】 doi：10．3969 ／ j．issn．1673－3142．2011．05．003
-20.7～18.9
58 -1.6 4.2 -15.2～11.0 1.5 1.3 -2.4～5.4 -3.3 1.0 -6.3～-0.3
65 -2.0 0.3 -2.9～-1.1 -11.8 0.2 -12.4～-11.2 14.4 0.2 13.8～15.0
99 -58.3
0.6 -61.2～56.5
2.1 试验数据初步处理 数据初步处理中，通过广义胡克定律 F=Eε（F
应力,E 材料弹性模量,ε 材料的应变），计算出各点 的应力。 在强度校核中，将各测点应力最大值与材 料的许用应力进行比较， 初步判断强度设计是否 满足要求。 另外，与有限元分析结果进行比较，对 有限元分析的可行性进行校核。 部分的测点应力 试验值与计算值见表 1。 试验结果和分析结果吻 合情况良好，说明有限元模型正确。 2.2 试验数据的统计分析和频谱分析
扭曲路应力 ／ MPa
最大值
最小值
1.3831
-2.389
-2.389
-10.486
1.4333
-11.316
5.1801 -0.17592
1.6849
-5.1801
搓板路应力 ／ MPa
最大值
最小值
3.2188
-5.6329
-2.917
-9.1283
-0.57845 -8.0721
3.9229
-1.6597
-58.7 0.6
-61.5～56.9 -57.8 0.6
-60.6～-56
102 -14.7
0.8 -17.1～-12.3
-17.1 0.9
-19.8～-14.4 -3.7 0.8
-6.1～-1.3
2.2.2 失效区间分析 由于路面作用的随机特性， 车身测点应力一
般服从正态分布[4]。 对各路段应力进行处理，通过 矩估计法获得应力的均值和平均离差， 按照正态 分布，求得应力概率密度函数和概率分布函数，对 随机信号进行准确的数学描述。 部分点的均值和 平均离差见表 2。 按照 3σ 原则[5]（应力在 3σ 范围 之外的失效概率仅为 2.62%），分析计算各点应力 大于 3σ 的区间（见表 2），从而可对车身强度做出 准确判断。 2.2.3 试验数据的频谱分析
绍的试验和数据处理方法对相关研究具有指导意义。
关键词：承载式车身；3．82＋2
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1673-3142(2011)05-0008-04
Research and Analysis of Bearing Car－body Stress Intensity by Test
承载式车身强度试验分析研究
邝坤阳
（合肥工业大学，机械与汽车工程学院,安徽 合肥，230009）
摘要：承载式车身强度试验是针对承载式车身轻量化的需要，在有限分析的基础上，对原车进行静态和动态强
度试验。 较详细介绍了试验方法，并对试验结果进行统计分析和频谱分析。 在强度校核采用 3σ 原则，充分刻画
动态应变的随机性。 试验和分析结果是对有限元分析结果的有效校核，同时为车身轻量化提供参考和依据；介
Kuang Kunyang （School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China） Abstract： In order to lighten the bearing car－body， on the base of FEM analysis， strain－stress test is carried out to analyze the intensity of the original car， verifying the consistency of test result and FEM analysis result． In this paper， the test method is introduced particularly， and statistical method and frequency－ field method is adopted to analyze the test results． When checking out the cat－body intensity， 3σmethod is used， depicting the randomicity of dynamic strain adequately． Results of the test and analysis provide reference and evidence． The method of test and data processing， discussed in the paper， is instructive to correlative research． Keywords： bearing car－body； intensity test； statistic analysis； frequency－field analysis
8.0216
-9.2037
凹坑应力 ／ MPa
最大值
最小值
1.2574
-5.2305
1.8608
-7.9965
2.0118
-10.511
6.5883
-1.7351
6.4124
-7.9714
百分比 ／％
上可行的点。 整个车身共布置 113 个应变片。 第 9 截面梁贴片点见图 1。
2 试验数据处理和分析
1 承载式车身强度试验
通过对某客车原车进行整车静态和动态应强 度性能测试，全面掌握其强度性能。 1.1 数据采集及相关试验仪器
静 态 和 动 态 数 据 采 集 系 统 分 别 采 用 DH -
收 稿 日 期 ：2011-03-11 作者简介：邝坤阳（1986－ ），男，合肥工业大学硕士生 ，研究方向： 车辆安全与诊断技术。
均值 扭
曲
平均离差
路 3σ 区间
均值 搓
板
平均离差
路 3σ 区间
均值
凹
坑
平均离差
3σ 区间
14 -20.7
0.7 -22.8～-18.6
-22.4 0.3
-23.3～21.5 -27.7 0.5
-29.2～-26.2
18 -22.9
0.3 -23.8～-22.0
-20.8 0.5
-22.3～-19.3 -19.8 0.3
图 4 路况 3（凹坑）
1 0．9 0．8 0．7 0．6 0．5 0．4 0．3 0．2 0．1
0 －25 －24 －23 －22 －21 －20 －19 －18 －17 －16
应力 ／ MPa
图 5 路况 1（扭曲路）
1 0．9 0．8 0．7 0．6 0．5 0．4 0．3 0．2 0．1
－38 －36 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22 －20 －18 应力 ／ MPa
0 引言
随着对节能和环保认识的加深， 节能和环保 已成为汽车工业发展的一个大的趋势和发展方 向。 20 世纪 90 年代以来，为了使汽车达到高效、 节能、 减重， 研究人员一直在探寻汽车轻量化之 路。 为了达到轻量化的目的，在汽车设计和改进过 程中， 常需对车身和车架进行结构强度分析及相 应的试验验证[1]。 本文针对某客车轻量化的需要， 在有限元分析的基础上， 对原车进行静态和动态 强度试验，对试验结果进行分析研究，为其承载式 车轻量化提供参考。
图 6 路况 2（搓板路）
1 0．9 0．8 0．7 0．6 0．5 0．4 0．3 0．2 0．1
0 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22
应力 ／ MPa
图 7 路况 3（凹坑）
－9－
2011 年第 5 期
农业装备与车辆工程
表 2 测点均值、平均离差和 3σ 区间(MPa)
测点
在试验数据的统计分析和频谱分析中， 采用 DHSTT2000 统计分析系统和 DHSAS2000 频谱分 析系统，对现场采集的数据进行回放分析处理。 2.2.1 试验数据的统计分析
运 用 DHSTT2000 统 计 分 析 系 统 对 随 机 信 号 进行概率密度函数、累积密度描述。 概率密度函数 和累积密度不仅能反映随机变量可能取什么值， 而且描述了以多大概率取这些值， 充分地刻画了 随机变量的概率性质[3]。 图 2～图 4 和图 5～图 7 分 别为 1 测点概率密度函数和累计密度函数。 概率 密度函数和累计密度函数图清楚表明各种路面作 用产生应力分布概率。 不同应力对应不同概率。 这 是进行统计分析的基础。
图 1 第 9 截面梁的应变片布置图
邝坤阳： 承载式车身强度试验分析研究
2011 年 5 月
表 1 试验应力与计算应力比较
应变片点
13 23 34 43 56
静态应力 （MPa） 0.618 -3.09 -9.27 5.562 0.412
计算值 （MPa） 0.0618 -0.6386 -10.259 0.3502 0.2678
－8－
3818 型 静 态 应 变 仪 和 DH-5937 型 动 态 应 变 仪 。 应变仪与电脑相连，对试验结果进行记录。动态试 验中采用全程纪录，分路段标记的方法。在数据采 集中，进行低通滤波。 采样频率为 500Hz，试验结 果满意。 1.2 试验内容
试验针对有限元分析和经验上的薄弱点进行 测试。 采用静态试验和动态试验相结合的方法。 动 态试验进行了凹坑路面、扭曲路路面、搓板路面等 各种路面的测试。 应变片的布置对试验结果至关 重要。 因此，选择贴片点时，遵循以下原则：（1）有 限元分 析 应 力 较 大 和 结 构 薄 弱 的 点[2]；（2）实 践 中 表 明 可 能 存 在 的 应 力 集 中 点 ；（3） 实 施 布 点 时 工 艺
0 －38 －36 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22－20－18
应力 ／ MPa
图 3 路况 2（搓板路）
0．05 0．045 0．04 0．035 0．03 0．025 0．015 0．01 0．005
0 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22
应力 ／ MPa
0．07 0．06 0．05 0．04 0．03 0．02 0．01
0 －25 －24 －23 －22 －21 －20 －19 －18 －17 －16
应力 ／ MPa
图 2 路况 1（扭曲路）
百分比 ／％
百分比 ／％
百分比 ／％
百分比 ／％
百分比 ／％
0．03
0．025
0．02
0．015
0．01
0．005
12．18
图 8 路况 1（扭曲路面）
24．36 Hz
Mag． ／ με
0．48
0．00 0．00
24．39
图 9 路况 2（搓板路面）
48．78 Hz
Mag． ／ με
4．00
2．00
0．00 0．00
24．39
图 10 路况 3（凹坑）
48．78 Hz
特性进行较精确的判断， 为进一步改进设计提供 可靠参考。 2.3 承载式车身强度分析
1．06
Mag． ／ με
0．53
0．00 0．00
0．96
试验结果分析表明， 整车应变较大的点主要 在前门和中门、第 8 和第 9 截面梁、前悬纵梁和后 悬纵梁及车身侧围处。 其中应力最大的 99 点在 3σ 处应力为 61.5MPa。 试验车车身采用 16Mn 钢， 其静态许用 应 力[σ]=211～238MPa，考 虑 动 载 和 疲 劳载荷的作用（动载安全系数取 2.5，疲劳安全系 数取 1.6），动态许用应力[σd]= 52.7～59.5 MPa。 按 照 3σ 原则，此承载式车身强度在极限状况下可能 存在危险。 但车身其他各处强度过高，在 3σ 处应 力很少大于 30MPa，强度设计偏于保守，且强度分 布不均，有待进一步优化改进。
2011 年第 5 期 2（0总11第年23第8 5期期）
农业装备与车辆工程 AGRICULTURAL E农Q业UI装PM备E与NT车&辆V工E程HICLE ENGINEERING
No．5 2011 （Totally 238）
【 车辆工程技术 】 doi：10．3969 ／ j．issn．1673－3142．2011．05．003
-20.7～18.9
58 -1.6 4.2 -15.2～11.0 1.5 1.3 -2.4～5.4 -3.3 1.0 -6.3～-0.3
65 -2.0 0.3 -2.9～-1.1 -11.8 0.2 -12.4～-11.2 14.4 0.2 13.8～15.0
99 -58.3
0.6 -61.2～56.5
2.1 试验数据初步处理 数据初步处理中，通过广义胡克定律 F=Eε（F
应力,E 材料弹性模量,ε 材料的应变），计算出各点 的应力。 在强度校核中，将各测点应力最大值与材 料的许用应力进行比较， 初步判断强度设计是否 满足要求。 另外，与有限元分析结果进行比较，对 有限元分析的可行性进行校核。 部分的测点应力 试验值与计算值见表 1。 试验结果和分析结果吻 合情况良好，说明有限元模型正确。 2.2 试验数据的统计分析和频谱分析
扭曲路应力 ／ MPa
最大值
最小值
1.3831
-2.389
-2.389
-10.486
1.4333
-11.316
5.1801 -0.17592
1.6849
-5.1801
搓板路应力 ／ MPa
最大值
最小值
3.2188
-5.6329
-2.917
-9.1283
-0.57845 -8.0721
3.9229
-1.6597
-58.7 0.6
-61.5～56.9 -57.8 0.6
-60.6～-56
102 -14.7
0.8 -17.1～-12.3
-17.1 0.9
-19.8～-14.4 -3.7 0.8
-6.1～-1.3
2.2.2 失效区间分析 由于路面作用的随机特性， 车身测点应力一
般服从正态分布[4]。 对各路段应力进行处理，通过 矩估计法获得应力的均值和平均离差， 按照正态 分布，求得应力概率密度函数和概率分布函数，对 随机信号进行准确的数学描述。 部分点的均值和 平均离差见表 2。 按照 3σ 原则[5]（应力在 3σ 范围 之外的失效概率仅为 2.62%），分析计算各点应力 大于 3σ 的区间（见表 2），从而可对车身强度做出 准确判断。 2.2.3 试验数据的频谱分析
绍的试验和数据处理方法对相关研究具有指导意义。
关键词：承载式车身；3．82＋2
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1673-3142(2011)05-0008-04
Research and Analysis of Bearing Car－body Stress Intensity by Test
承载式车身强度试验分析研究
邝坤阳
（合肥工业大学，机械与汽车工程学院,安徽 合肥，230009）
摘要：承载式车身强度试验是针对承载式车身轻量化的需要，在有限分析的基础上，对原车进行静态和动态强
度试验。 较详细介绍了试验方法，并对试验结果进行统计分析和频谱分析。 在强度校核采用 3σ 原则，充分刻画
动态应变的随机性。 试验和分析结果是对有限元分析结果的有效校核，同时为车身轻量化提供参考和依据；介
Kuang Kunyang （School of Machinery and Automobile Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China） Abstract： In order to lighten the bearing car－body， on the base of FEM analysis， strain－stress test is carried out to analyze the intensity of the original car， verifying the consistency of test result and FEM analysis result． In this paper， the test method is introduced particularly， and statistical method and frequency－ field method is adopted to analyze the test results． When checking out the cat－body intensity， 3σmethod is used， depicting the randomicity of dynamic strain adequately． Results of the test and analysis provide reference and evidence． The method of test and data processing， discussed in the paper， is instructive to correlative research． Keywords： bearing car－body； intensity test； statistic analysis； frequency－field analysis
8.0216
-9.2037
凹坑应力 ／ MPa
最大值
最小值
1.2574
-5.2305
1.8608
-7.9965
2.0118
-10.511
6.5883
-1.7351
6.4124
-7.9714
百分比 ／％
上可行的点。 整个车身共布置 113 个应变片。 第 9 截面梁贴片点见图 1。
2 试验数据处理和分析
1 承载式车身强度试验
通过对某客车原车进行整车静态和动态应强 度性能测试，全面掌握其强度性能。 1.1 数据采集及相关试验仪器
静 态 和 动 态 数 据 采 集 系 统 分 别 采 用 DH -
收 稿 日 期 ：2011-03-11 作者简介：邝坤阳（1986－ ），男，合肥工业大学硕士生 ，研究方向： 车辆安全与诊断技术。
均值 扭
曲
平均离差
路 3σ 区间
均值 搓
板
平均离差
路 3σ 区间
均值
凹
坑
平均离差
3σ 区间
14 -20.7
0.7 -22.8～-18.6
-22.4 0.3
-23.3～21.5 -27.7 0.5
-29.2～-26.2
18 -22.9
0.3 -23.8～-22.0
-20.8 0.5
-22.3～-19.3 -19.8 0.3
图 4 路况 3（凹坑）
1 0．9 0．8 0．7 0．6 0．5 0．4 0．3 0．2 0．1
0 －25 －24 －23 －22 －21 －20 －19 －18 －17 －16
应力 ／ MPa
图 5 路况 1（扭曲路）
1 0．9 0．8 0．7 0．6 0．5 0．4 0．3 0．2 0．1
－38 －36 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22 －20 －18 应力 ／ MPa
0 引言
随着对节能和环保认识的加深， 节能和环保 已成为汽车工业发展的一个大的趋势和发展方 向。 20 世纪 90 年代以来，为了使汽车达到高效、 节能、 减重， 研究人员一直在探寻汽车轻量化之 路。 为了达到轻量化的目的，在汽车设计和改进过 程中， 常需对车身和车架进行结构强度分析及相 应的试验验证[1]。 本文针对某客车轻量化的需要， 在有限元分析的基础上， 对原车进行静态和动态 强度试验，对试验结果进行分析研究，为其承载式 车轻量化提供参考。
图 6 路况 2（搓板路）
1 0．9 0．8 0．7 0．6 0．5 0．4 0．3 0．2 0．1
0 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22
应力 ／ MPa
图 7 路况 3（凹坑）
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2011 年第 5 期
农业装备与车辆工程
表 2 测点均值、平均离差和 3σ 区间(MPa)
测点
在试验数据的统计分析和频谱分析中， 采用 DHSTT2000 统计分析系统和 DHSAS2000 频谱分 析系统，对现场采集的数据进行回放分析处理。 2.2.1 试验数据的统计分析
运 用 DHSTT2000 统 计 分 析 系 统 对 随 机 信 号 进行概率密度函数、累积密度描述。 概率密度函数 和累积密度不仅能反映随机变量可能取什么值， 而且描述了以多大概率取这些值， 充分地刻画了 随机变量的概率性质[3]。 图 2～图 4 和图 5～图 7 分 别为 1 测点概率密度函数和累计密度函数。 概率 密度函数和累计密度函数图清楚表明各种路面作 用产生应力分布概率。 不同应力对应不同概率。 这 是进行统计分析的基础。
图 1 第 9 截面梁的应变片布置图
邝坤阳： 承载式车身强度试验分析研究
2011 年 5 月
表 1 试验应力与计算应力比较
应变片点
13 23 34 43 56
静态应力 （MPa） 0.618 -3.09 -9.27 5.562 0.412
计算值 （MPa） 0.0618 -0.6386 -10.259 0.3502 0.2678
－8－
3818 型 静 态 应 变 仪 和 DH-5937 型 动 态 应 变 仪 。 应变仪与电脑相连，对试验结果进行记录。动态试 验中采用全程纪录，分路段标记的方法。在数据采 集中，进行低通滤波。 采样频率为 500Hz，试验结 果满意。 1.2 试验内容
试验针对有限元分析和经验上的薄弱点进行 测试。 采用静态试验和动态试验相结合的方法。 动 态试验进行了凹坑路面、扭曲路路面、搓板路面等 各种路面的测试。 应变片的布置对试验结果至关 重要。 因此，选择贴片点时，遵循以下原则：（1）有 限元分 析 应 力 较 大 和 结 构 薄 弱 的 点[2]；（2）实 践 中 表 明 可 能 存 在 的 应 力 集 中 点 ；（3） 实 施 布 点 时 工 艺
0 －38 －36 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22－20－18
应力 ／ MPa
图 3 路况 2（搓板路）
0．05 0．045 0．04 0．035 0．03 0．025 0．015 0．01 0．005
0 －34 －32 －30 －28 －26 －24 －22
应力 ／ MPa
0．07 0．06 0．05 0．04 0．03 0．02 0．01
0 －25 －24 －23 －22 －21 －20 －19 －18 －17 －16
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图 2 路况 1（扭曲路）
百分比 ／％
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图 8 路况 1（扭曲路面）
24．36 Hz
Mag． ／ με
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图 9 路况 2（搓板路面）
48．78 Hz
Mag． ／ με
4．00
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图 10 路况 3（凹坑）
48．78 Hz
特性进行较精确的判断， 为进一步改进设计提供 可靠参考。 2.3 承载式车身强度分析