杜愛民朱沛沛朱忠攀

（1.同濟大學(xué)；2.同濟汽車設(shè)計研究院）

白車身及四門兩蓋靜態(tài)剛度測試系統(tǒng)設(shè)計*

杜愛民1,2朱沛沛1朱忠攀1,2

（1.同濟大學(xué)；2.同濟汽車設(shè)計研究院）

根據(jù)對白車身及四門兩蓋靜態(tài)剛度測試需求分析，搭建了白車身及四門兩蓋試驗測試平臺，提出了適應(yīng)于各項剛度試驗的試驗方法及試驗流程，設(shè)計了靜態(tài)剛度測量軟硬件系統(tǒng)。該測量系統(tǒng)有效整合了白車身與四門兩蓋靜態(tài)剛度試驗需求，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報告模板實現(xiàn)了試驗數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理。通過對不同試件的靜態(tài)剛度試驗測試，驗證了該測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 前言

2 汽車剛度試驗設(shè)計方案

白車身以及四門兩蓋（車門、行李艙蓋、發(fā)動機艙蓋等組件總稱）的靜態(tài)剛度試驗是汽車車身輕量化設(shè)計的重要試驗驗證環(huán)節(jié)，是汽車安全和駕駛舒適性的重要衡量指標，也是汽車輕量化技術(shù)的主要研究實施對象[1]。近年來，國內(nèi)外圍繞白車身剛度試驗的研究較多[3～6]，但均沒有對四門兩蓋等其它組件的剛度測量方法進行研究，而四門兩蓋是輕量化設(shè)計的重要組成部分，且比白車身有更多的剛度試驗要求。為此，本文根據(jù)企業(yè)對白車身及四門兩蓋靜態(tài)剛度測試需求搭建了剛度測試試驗平臺，通過不同類別的靜態(tài)剛度試驗，得到了面向汽車輕量化設(shè)計的靜態(tài)剛度試驗方法與試驗流程，并開發(fā)出了汽車靜態(tài)剛度試驗軟硬件測試與分析系統(tǒng)。

2.1 輕量化技術(shù)對汽車剛度試驗的影響

汽車剛度是影響汽車性能的關(guān)鍵因素，增加車身剛度可獲得良好的舒適性和安全性，然而剛度過大會增加車重、油耗及成本，因此需要確定適當?shù)能嚿韯偠纫约皠偠扰c位移的關(guān)系來滿足汽車性能要求。在保證剛度基本要求的基礎(chǔ)上利用輕量化技術(shù)減輕汽車整備質(zhì)量，是汽車剛度試驗的主要目的。

輕量化技術(shù)發(fā)展對剛度試驗的影響主要體現(xiàn)在以下幾方面。

a.輕量化促使剛度試驗?zāi)繕说霓D(zhuǎn)變。汽車剛度試驗在車身及四門兩蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中不只起到性能驗證的作用，也成為輔助設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，使設(shè)計人員與試驗人員協(xié)同工作幾率增加。

b.輕量化促使汽車剛度試驗項目需求量增加。企業(yè)新車型研發(fā)以及輕量化材料應(yīng)用、輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計及輕量化工藝制造的多樣化等促使剛度試驗需求量增加。

c.輕量化促使剛度測量精度要求提高。輕量化技術(shù)對車身及四門兩蓋的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計精度和材料用量要求日益嚴格，間接促使剛度等試驗的測量精度提高。

d.輕量化促使剛度試驗周期縮短。面對企業(yè)剛度試驗項目及試驗量的增加，縮短試驗周期成為既滿足企業(yè)試驗需求又能降低試驗成本的必然趨勢。

基于以上剛度試驗需求的變化，建立了一套面向汽車輕量化設(shè)計的靜態(tài)剛度試驗方法與試驗流程。

2.2 試驗方法與試驗流程

白車身與四門兩蓋剛度測量試驗分為靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗和彎曲剛度試驗兩類，且各部件的計算原理相同。扭轉(zhuǎn)剛度是表征試件受到扭矩作用時抗扭轉(zhuǎn)變形的能力，彎曲剛度是表征試件在外力（載荷）作用下抵抗彎曲變形的能力。

扭轉(zhuǎn)剛度GJ計算式為：

式中，M為試件受到的扭矩；θ為試件因扭矩作用產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角。

彎曲剛度EI計算式為：

式中，F(xiàn)為加載力；δ為在加載力作用下的彎曲撓度值。

由上述可知，扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度試驗的關(guān)鍵在于獲取精準的加載力、扭矩、扭轉(zhuǎn)角和撓度值。在試驗過程中，加載力可通過測量得到，扭矩、扭轉(zhuǎn)角和撓度等需要通過測量力及試件形變量計算得到。另外，由于汽車行駛工況的復(fù)雜性及四門兩蓋不同部件具有不同的使用特性，工程試驗中不能簡單地采用扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度來表征汽車抵抗變形的能力，而是需要根據(jù)不同的剛度測試試驗來制定剛度評價標準。為此，以車門下垂試驗和過開試驗為例說明剛度評價標準的制定過程。

車門下垂試驗（圖1）需要測量在加載力F=100～1 000 N作用下，測量點MP1的最大變形量和殘余變形量，以表征車門下垂剛度；車門過開試驗（圖2）需要測量在加載力F=50～500 N作用下車門過開剛度，是用最大車門過開角來表征車門過開剛度。車門過開角計算式為：

式中，γ為車門過開角；LMP1和LMP2為兩個測量點的變形量；D是兩個測量點間的距離。

為了使靜態(tài)剛度測試系統(tǒng)更好地面向汽車輕量化，設(shè)計了面向汽車輕量化的白車身及四門兩蓋剛度測試流程，如圖3所示。試驗流程中整合了仿真與試驗的Ⅴ型開發(fā)過程，在設(shè)計任務(wù)需求發(fā)布初始階段，依據(jù)參考試件（即可參考的白車身及四門兩蓋）進行剛度試驗，所測試驗數(shù)據(jù)作為CAD建模及CAE分析的參考數(shù)據(jù)，并形成最初方案。由于白車身及四門兩蓋結(jié)構(gòu)和用材的多樣性，最初方案需要進行輕量化迭代優(yōu)化，并得到優(yōu)化后的設(shè)計方案，最后進行樣件試制和試驗驗證。

基于以上理論分析和流程設(shè)計，搭建了面向汽車輕量化的白車身及四門兩蓋剛度測試試驗臺架，并進行了從剛度試驗數(shù)據(jù)采集到剛度試驗評估分析的軟件設(shè)計。

3 靜態(tài)剛度測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

采取模塊化集成設(shè)計的方法進行系統(tǒng)集成設(shè)計?？紤]到企業(yè)實際試驗需求，將白車身和四門兩蓋剛度試驗進行了分系統(tǒng)設(shè)計，兩個子系統(tǒng)的組件分別集成在各自的控制柜和試驗臺架中，系統(tǒng)架構(gòu)如圖4和圖5所示。除試件不同導(dǎo)致加載和固定裝置不同外，系統(tǒng)其它部分采取了通用模塊化設(shè)計，以利于白車身與四門兩蓋剛度測量組件的靈活替換，提高設(shè)備利用率，降低試驗硬件成本。

3.2 臺架設(shè)計

試驗臺架為T型槽試驗平臺，根據(jù)試件測試點分布和加載要求，在平臺上固定了力傳感器、位移傳感器、信號轉(zhuǎn)接盒和力加載裝置以及固定裝置等。

該臺架采用了國外某公司同一系列不同量程的拉壓通用式力傳感器，可滿足不同剛度試驗的測試要求，其量程為0.2～10 kN，精度為±0.15%。力傳感器測量信號通過信號轉(zhuǎn)接盒進行信號放大和濾波處理，將測量信號轉(zhuǎn)化成±10 V的電壓信號輸出。

該臺架統(tǒng)一采用光柵式位移傳感器來檢測試件在加載力作用下的變形量，該位移傳感器采用了莫爾條紋的工作原理對外輸出TTL脈沖信號。由于剛度試驗所需位移傳感器較多，故采用計數(shù)器信號轉(zhuǎn)接盒對位移傳感器信號進行合并轉(zhuǎn)接，濾波后傳輸至數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

該臺架引入伺服電動缸實現(xiàn)了部分試驗的自動化過程。伺服電動缸是伺服電機與蝸輪蝸桿機構(gòu)組成的線性執(zhí)行器的集成體，可控制加載速度、加載方向和穩(wěn)定時間，提高試驗過程中試件外部施加力的加載效率和精準度。

3.3 控制柜設(shè)計

我們交談著慢慢往回走，橘黃色的路燈映著兩個小小的身影。我們決定回去后和爸媽好好商討一番，我們要走自己認為最合適的道路。而且，我終于發(fā)現(xiàn)，沒有晴天，雨季只會漫長得讓人心生厭倦；沒有雨季，晴空也永遠不會顯得那樣彌足珍貴。

依據(jù)試驗需求進行了控制柜一體化設(shè)計。圖4和圖5分別為白車身剛度試驗系統(tǒng)架構(gòu)和四門兩蓋剛度試驗系統(tǒng)架構(gòu)。由圖4和圖5可看出，兩個試驗系統(tǒng)控制柜均集成了同樣的上位機和數(shù)據(jù)采集設(shè)備，數(shù)據(jù)采集機箱與數(shù)據(jù)采集卡選取了美國NI公司的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可根據(jù)試驗所需最大通道數(shù)不同，在數(shù)據(jù)采集機箱內(nèi)集成不同數(shù)量的數(shù)據(jù)采集板卡。另外，四門兩蓋剛度測量采用了伺服電動缸自動加載，額外集成了PLC控制系統(tǒng)與伺服電動機驅(qū)動器等設(shè)備。

上位機采用機架式工控機，工控機內(nèi)嵌R232串口通訊卡與PLC控制器進行通訊，PLC控制器根據(jù)上位機指令與伺服電機驅(qū)動器通訊實現(xiàn)電動缸控制，另外，工控機還通過與數(shù)據(jù)采集機箱的通訊來獲取力傳感器與位移傳感器的信號，從而形成了對電動缸閉環(huán)的控制系統(tǒng)（圖6），以實現(xiàn)四門兩蓋剛度測量試驗的自動化加載與數(shù)據(jù)采集。

由于傳感器與數(shù)據(jù)采集機箱來自于不同的生產(chǎn)廠家，在從傳感器到數(shù)據(jù)采集機箱的信號傳遞過程中還需要考慮信號的轉(zhuǎn)接問題，因此進行了信號轉(zhuǎn)接盒的設(shè)計。整個信號轉(zhuǎn)接盒系統(tǒng)由模擬量信號轉(zhuǎn)接盒、計數(shù)器信號轉(zhuǎn)接盒及控制柜中內(nèi)嵌的為轉(zhuǎn)接盒供電的電源盒等組成。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)采集軟件開發(fā)環(huán)境

采用Labview2010作為軟件開發(fā)平臺進行上位機控制程序和人機界面的開發(fā)。Labview是基于虛擬儀器思想面向圖形化的編程語言，具有豐富的驅(qū)動和硬件接口，方便測試系統(tǒng)的集成控制，另外Labview還提供許多分析函數(shù)和虛擬儀器模塊，方便數(shù)據(jù)分析和信號處理以及菜單、按鈕、報表等控件的設(shè)計。

4.2 數(shù)據(jù)采集軟件功能及程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集軟件的主要功能如圖7所示，主要分為試驗信息錄入、試驗數(shù)據(jù)采集、自動生成報告和電動缸控制等4個模塊。

試驗信息錄入主要包括傳感器信息、測量點坐標以及試驗項目選擇，由于力傳感器信號為±10 V電壓信號，位移傳感器是±5 V脈沖信號，且傳感器型號不是唯一的，因此需要根據(jù)不同傳感器進行參數(shù)標定，以力傳感器為例，其標定公式為：

式中，C為傳感器標定參數(shù)；Fmax與Fmin為力傳感器測量量程的極限值；Umax與Umin為力傳感器對外輸出電壓范圍的極限值，如量程為±1 000 N的傳感器，其輸出電壓范圍為±10 V，則其標定參數(shù)C為100。

在剛度試驗過程中，由于試驗類別不同，所以所需的力傳感器也不同，一般有200 N、500 N、1 000 N、5 000 N、10 000 N等一系列傳感器可供選擇，為此測試軟件開發(fā)了傳感器配置模塊。圖8為對應(yīng)軟件操作界面的截圖，界面左欄為傳感器的標定參數(shù)值與濾波器選擇，右側(cè)為根據(jù)測量點要求部署傳感器的位置坐標。

測量點坐標是精確計算試件剛度的基礎(chǔ)，也是生成試驗報告的關(guān)鍵信息，因此需要進行精確測量并計算。另外同一類型的剛度試驗往往存在其它一些相同的試驗信息配置，因此測試軟件中可以將這些信息進行封裝，通過試驗項目選擇即可完成類似項目的配置。

試驗數(shù)據(jù)采集模塊是通過labview的生產(chǎn)者消費者模式架構(gòu)進行的軟件開發(fā)，生產(chǎn)者模式循環(huán)中可調(diào)用NI DAQmx數(shù)據(jù)采集驅(qū)動進行數(shù)據(jù)采集卡參數(shù)配置，并通過數(shù)據(jù)采集卡I/0功能控制外部轉(zhuǎn)接盒硬件濾波，采集試驗原始數(shù)據(jù)信號并進行入隊列存儲；消費者模式循環(huán)中將采集到的原始數(shù)據(jù)進行出隊列操作，然后對原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)篩選、公式計算等一系列預(yù)處理操作，處理結(jié)果在軟件界面里呈現(xiàn)，從而實時監(jiān)測測試點位移變化曲線、力值變化曲線，根據(jù)監(jiān)測信息控制電機運動，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲及自動報告的生成等功能。圖9為電機控制界面，可控制電機的運動狀態(tài)和主從順序，同時定義各加載階段的加載速度、所要達到的目標力值以及達到目標力值的維持時間。

圖10為在進行發(fā)動機艙蓋后梁彎曲試驗過程中的軟件監(jiān)控窗口截圖，可實時檢測目標加載力值與實際力值的變化趨勢，以及各加載階段沿后梁分布的測試點的位移情況。

最后該系統(tǒng)軟件針對表1劃分的試驗項目以及不同試驗的評價標準進行了報告模板設(shè)計，系統(tǒng)可自動進行原始數(shù)據(jù)的后處理并生成試驗報告。統(tǒng)一形式的試驗數(shù)據(jù)以及自動生成的試驗報告有助于縮短數(shù)據(jù)處理分析時間，加強試驗信息的存儲與管理，其流程為：試驗數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)計算處理→自動生成報告→試驗報告上傳→試驗報告審核→試驗報告入庫→試驗報告下載→試驗報告查閱。圖11為基于TCP/IP協(xié)議的內(nèi)部局域網(wǎng)試驗報告共享系統(tǒng)。

5 靜態(tài)剛度測試系統(tǒng)的應(yīng)用

利用所設(shè)計的測試系統(tǒng)在某企業(yè)進行了白車身及四門兩蓋等不同試件的靜態(tài)剛度試驗。

圖12為車門下垂試驗的試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，其中加載變形曲線表征了在100～1 000 N加載力作用下車門MP1點的變形量，試驗要求加載變形量最大值不能超過10 mm；殘余變形曲線表征不同加載力卸載后車門殘余的變形量，試驗要求殘余變形量不能超過1 mm。試驗結(jié)果表明，隨加載力的增加，車門變形量和殘余變形量均逐漸增加，在最大加載力（1 000 N）作用下的最大變形量為6.11 mm，殘余變形量為0.23 mm，滿足試驗要求。

圖13為車門過開試驗的試驗數(shù)據(jù)處理結(jié)果，過開角度變化曲線表征了在50～500 N加載力作用下車門過開角的大小，常規(guī)角度變化曲線表征了卸載后車門過開角的殘余值。由圖13可看出，車門過開角在加載力作用下呈線性增長趨勢。

靜態(tài)剛度試驗結(jié)果表明，該汽車剛度測試系統(tǒng)可適用于不同類別的汽車剛度測試試驗的實際工程測試需求，可有效提升試驗效率。

6 結(jié)束語

本文結(jié)合汽車輕量化與車身及四門兩蓋剛度試驗需求，提出了適應(yīng)于白車身及四門兩蓋各項剛度試驗的試驗方法與試驗流程；通過對白車身與四門兩蓋靜態(tài)剛度試驗的共性與差異性研究，設(shè)計了白車身及四門兩蓋靜態(tài)剛度測量軟硬件系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)有效整合了白車身與四門兩蓋靜態(tài)剛度試驗需求，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)報告模板實現(xiàn)了試驗數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理，為汽車試驗信息化發(fā)展與試驗數(shù)據(jù)管理提供了借鑒。通過對不同試件靜態(tài)剛度試驗測試，驗證了該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1 Kichang Kim,Inho Choi,ChanMook Kim.A Study on the Development Process of a Body with High StiffnessSAE 2005-01-2464.

2 范葉,楊沿平,孟先春,等.汽車輕量化技術(shù)及其實施途徑.汽車工業(yè)研究,2006（7）:40～42.

3 袁玲,仇彬,于霞.轎車車身扭轉(zhuǎn)剛度試驗方法研究.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007（11）:13～16.

4 胡文偉.轎車車身剛度測量.上海汽車,1995（5）:6～8.HU Wenwei.Car body stiffness measurement.Journal of Shang?hai Auto,1995（5）:6～8.

5 邵建旺,彭為,靳曉雄，等.SUV白車身靜態(tài)剛度試驗研究.汽車技術(shù),2009（4）:41～44.

6 孫卓,顏德田,韋紅雨等.汽車車身靜態(tài)剛度測量.計算機測量與控制,2006（6）:724～726.

7 Karan R.Khanse,Shekhar P Pathak.Test Set-Up of BIW (Body in White)Stiffness Measurements.SAE 2013-01-1439.

（責任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2015年7月8日。

Static Stiffness Test System Design of BIW and 4D2H

Du Aimin1,2,Zhu Peipei1,Zhu Zhongpan1,2
（1.Tongji University;2.School of Automotive Studies,Tongji University）

A test platform for both BIW(Body-in-white)and 4D2H(4 doors and 2 hoods)is established based on the analysis of static stiffness test requirement,test methods and test procedure are proposed for various stiffness tests,and a set of software/hardware system for static stiffness measurement is designed,which effectively integrates the static stiffness test requirement for BIW and 4D2H,and with the aid of a unified data report template,test data is managed in a standardized way.Reliability and stability of this measurement system is verified through static stiffness test on different test samples.

BIW,Static Stiffness,Test System

白車身 靜態(tài)剛度 測試系統(tǒng)

U467.3

A

1000-3703（2015）11-0052-05

上海大眾-同濟汽車設(shè)計研究院產(chǎn)學(xué)研項目T-1209-079-0與上海市信息委專項基金項目201201015資助。