丁學(xué)彬

摘要：在軌道客車整車車體靜強度試驗測試前，需要首先保證整個試驗測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，從而使得試驗測試中得到的數(shù)據(jù)，可以與有限元分析值進(jìn)行比對，減少由于試驗測試中測試設(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)的分析與試驗對比誤差標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：軌道客車；車體靜強度；試驗測試；準(zhǔn)確性

一、應(yīng)變片分類及原理

對于平面應(yīng)變問題，一點的應(yīng)變狀態(tài)包括兩個正應(yīng)變和1個剪應(yīng)變，一點應(yīng)變狀態(tài)的二維圖如圖1所示。

一般測試條件下，剪應(yīng)變難以通過直接進(jìn)行試驗測試的方法得到。因此，對于未知主應(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，然后通過各應(yīng)變分量之間的關(guān)系得到一點應(yīng)變狀態(tài)。測試常用的應(yīng)變花，如圖2所示。

應(yīng)變花計算需分別計算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（試驗中，ε0，ε1，ε2角度分別對應(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、試驗測試系統(tǒng)建立

在軌道客車整車車體靜強度試驗前，為保證整個試驗測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，需進(jìn)行系統(tǒng)性的驗證試驗，本次驗證試驗所用應(yīng)變片為單向應(yīng)變片及三軸45°應(yīng)變花，整個驗證試驗具體做法為：整個試驗裝置將一個5mm厚的材質(zhì)為A588-A的長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的載荷會引起桿的彈性變形，對其進(jìn)行理論計算，以得到預(yù)測沿桿長的對應(yīng)位置的應(yīng)變值（如有效應(yīng)變、主應(yīng)變）。本試驗具備與整車試驗一致的設(shè)備安裝及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖3 試驗樣件貼片尺寸

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

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

該試驗驗證系統(tǒng)的建立與車體靜強度試驗測試緊密結(jié)合。因在傳統(tǒng)軌道客車車體靜強度布點工作中，門角、窗角等位置通常按45°角布置單向片。但經(jīng)過大量分析試驗對比，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。因此為對比此類關(guān)鍵位置分析與試驗對比數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在該試驗驗證系統(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)到更切合實際的局部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化試驗及分析對比。

三、試驗測試

在本驗證試驗完成以上兩個試驗并記錄試驗數(shù)據(jù)后，將實測應(yīng)變與手工計算和有限元計算得到的應(yīng)變預(yù)測值進(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度試驗相關(guān)的整車有限元模型的方法一致。包括用于在試驗測試中基于以上兩種配重塊的試驗分析在試驗方案確定下來即需要開展，將理論計算結(jié)果與仿真分析結(jié)果進(jìn)行初步對比。其中理論計算，用參數(shù)化的計算方式實現(xiàn)，通過輸入已知的位置，材料性能等基本參數(shù)進(jìn)行計算。

結(jié)論

本次系統(tǒng)測試試驗通過兩次試驗進(jìn)行有限元、理論計算值與測試值等效VonMises應(yīng)變值比較，得到單向應(yīng)變片理論與試驗值最大誤差為12%，有限元分析指與試驗值最大誤差為9%，表明該系統(tǒng)對單向應(yīng)變片的測量精度可以滿足大部分情況下的試驗需求，符合相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)。通過兩次試驗進(jìn)行有限元、理論計算值與測試值等效VonMises應(yīng)變值比較，得到應(yīng)變花理論與試驗值最大誤差為6%，有限元分析指與試驗值最大誤差為10%。以上結(jié)果表明該系統(tǒng)對應(yīng)變花的測量精度可以滿足大部分情況下的試驗需求，符合相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)。

此類系統(tǒng)性的驗證試驗，為軌道車的整車靜強度測試提供了寶貴經(jīng)驗；可以反映試驗整體測試系統(tǒng)的有效性及誤差率，在整車系統(tǒng)性對標(biāo)過程中具有重要的參考價值。

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（作者單位：中車唐山機車車輛有限公司）