一种H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试方法及装置

摘要

一种H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试方法及装置，包括如下步骤：1）测试平台搭建，将H型大梁框架的一对角两端放置在两个底部支撑座上；在另一对角两端上放置加载横梁，加载横梁两端下设横梁加载支座，加载横梁中心设加载液压缸，加载液压缸连接动力泵、加载仪；H型大梁框架两端H型大梁中部外侧面各粘贴五片应变片，应变片电性连接平衡电桥、计算机；H型大梁框架两加载角对应的X、Y、Z向分别放置位移计，位移计电性连接平衡电桥；2）弯曲扭转测试准备；3）加载测试，在材料弹性范围内，随机加载，通过计算机得到的测量位置位移和应变；通过加载仪控制动力泵，使载荷达到目标载荷，反复测试三次，依次实现不同载荷下力学性能测试。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车制造技术领域的方法和装置，特别涉及一种超高强度 钢汽车车架H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试方法及装置，可用于考察 行驶中载重汽车车轮在对角搁置，车架出现弯曲及扭转复合载荷产生的关 键部位的应变、位移、扭转角以及载荷大小。

背景技术

现代汽车工业对轻量化、安全性、尾气排放、成本控制及燃油经济性 的要求越来越高，这就驱使汽车工业采用高强度钢板和一些高强度轻量化 材料。汽车车架是汽车上的一个重要承载部件，据统计汽车车身的质量约 占整车自身品质的40%～60%，其结构的轻量化对汽车节能和环保具有重 要意义。

H型大梁作为汽车车架的主要组成部分，采用高强度钢板替代传统钢 板组成的H型大梁可实现车架减重。作为汽车底盘主要组成部分，H型大 梁在载重过程总，当前后轮对角搁置，车架底盘处于扭转状态。为保证车 辆在行驶过程中的安全，减薄后超高强度车架底盘是否达到相应的刚度要 求，为此必需在车架底盘设计制造过程中，进行H型大梁进行框架扭转性 能测试非常重要。

欧洲专利号EP20100193031公开了通过电机测试轴向两端在扭转、弯 曲载荷下的力矩的方法。

中国专利号CN201220024189.4公开了“车身静态弯曲扭转刚度测试 装置”，该专利是通过四个支撑固定将试验车身在底座上，加载装置安装 在底座的前端右下角，进行试验车身刚度测试。

中国专利号：CN200610114437.3，专利名称：平行板电容驱动的MEMS 弯曲扭转疲劳实验装置，该专利通过两个平行板电容驱动器分别实现对疲 劳试样的弯曲和扭转驱动实验。

综上所述，现有的专利主要是针对比较简单的单一零件（主要是轴类 零件）进行单一载荷（弯曲或扭转）进行测试，而对于H型大梁框架类的 部件未见公开。

发明内容

本发明的目的在于提供一种H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试方 法及装置，通过关键位置的应变、位移、扭转角与载荷之间的关系，验证 减薄后超高强度车架底盘的刚度要求，以确保车辆在行驶过程中的安全。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试方法，包括如下步骤：

1）测试平台搭建

将待测H型大梁框架的一对角两端分别放置在两个底部支撑座上，即 框架长度方向和纵向方向H型大梁联接交叉点位于底部支撑座上；其中一 个底部支撑座为滚动支撑，其包括底板及其上的半圆形支撑块；

在H型大梁框架的另一对角两端上放置一加载横梁，加载横梁两端下 设横梁加载支座，将载荷均匀传递给H型大梁框架；保持加载横梁中心与 H型大梁框架中心一致，并在加载横梁中心位置设加载液压缸，加载液压 缸连接动力泵、加载仪；

加载横梁加载面中心位置划十字交叉线，以保持加载前后左右正确 性，支撑位置对称分布于加载线两侧，以保持加载平衡。

H型大梁框架两端H型大梁中部外侧面即H型断面的上下翼内侧面及 腹板外侧面分别粘贴五片应变片，其中腹板外侧面自上向下粘贴三片应变 片，各应变片分别电性连接平衡电桥，平衡电桥电性连接计算机；校核测 试系统正确性和电路连接合理性，使测试初始值为零；

H型大梁框架加载端X、Y、Z三个方向分别放置位移计，各位移计 分别电性连接平衡电桥，平衡电桥电性连接计算机；

2）弯曲扭转测试准备

2.1测试前通过CAE模拟仿真分析初步估量H型大梁发生最大弹 性变形的载荷大小，整个测试过程中载荷大小必须在最大弹性变形载荷范 围内，以保证整个测试过程构件只发生弹性变形；在H型大梁发生最大弹 性变形的载荷范围内，设定阶梯式目标载荷，依次实现不同目标载荷下构 件的力学性能测试；

2.2测试前必须通过预加载调试，保证前后、左右载荷均匀分布， 且调整各相初始值为零；

3）加载测试

在材料弹性范围内，随机加载，通过计算机得到的测量位置位移和 应变调节H型框架支撑、加载横梁及其支撑位置，以保证前后、左右载荷 均匀分布；

通过计算机平衡调节各位移、应变初始值为零；

通过加载仪控制动力泵，使载荷达到目标载荷，然后保值，记录对 应的位移和应变数据，反复测试三次，测试结果取三次数值的平均值，加 载测试完毕，载荷完全卸载；调节各位移、应变初始值为零后再进行下一 次加载测试；按照试验要求顺序加载，依次实现不同载荷下力学性能测试； 实验结束后，拆除实验装置，并将试样妥善保管。

进一步，如果H型大梁框架上表面不处于水平状态，两个底部支撑 座按需要增加垫片，以保证框架上表面水平。

又，所述的底部支撑座轴向与H型大梁框架长度方向呈45度角。

本发明的H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试装置，其包括，H型大 梁框架，其一对角两端分别放置在两个底部支撑座上，即框架长度方向和 纵向方向H型大梁联接交叉点位于底部支撑座上；其中一个底部支撑座为 滚动支撑，其包括底板及其上的半圆形支撑块；一加载横梁，水平放置在 H型大梁框架的另一对角两端上；加载横梁两端下设横梁加载支座，将载 荷均匀传递给H型大梁框架，横梁加载支座为半圆形；保持加载横梁中心 与框架中心一致；加载液压缸，设置于所述加载横梁中心位置，加载液压 缸连接动力泵、加载仪；H型大梁框架两端H型大梁中部外侧面即H型 断面的上下翼内侧面及腹板外侧面分别粘贴五片应变片，其中腹板外侧面 自上向下粘贴三片应变片，各应变片分别电性连接平衡电桥，平衡电桥电 性连接计算机；H型大梁框架加载端对应的X、Y、Z向分别设置位移计， 各位移计分别电性连接平衡电桥，平衡电桥电性连接计算机。

加载液压缸通过油路的增压实现位置移动及加载；动力泵连接油路， 对加载液压缸提供压力；加载仪控制动力泵的油量输出以及读取载荷大 小。

测试系统主要包括位移计、应变片、平衡电桥、计算机等。位移计分 别放置在H型大梁加载端X、Y、Z三个方向，主要反映三个方向的位移； 应变片粘贴在H型大梁的关键部位，主要反映不同位置的材料变形情况； 平衡电桥接入应变片两端，实现对应变片变形数据的放大功能；计算机主 要实现对电桥的平衡以及采集测试过程中的位移和变形数据。如图5所示。

本发明的有益效果：

本发明与现有技术相比，通过支撑、加载以及测试系统的搭建，为H 型大梁在弯曲扭转条件下，提供H型大梁弯曲扭转实验装置及实验方法； 为高强钢板在框架性结构复杂力学状态下应用提供了有效测试手段。

附图说明

图1为本发明测试装置实施例的结构示意图。

图2为图1的侧视图。

图3为本发明测试装置实施例的俯视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为本发明测试装置实施例的示意图。

图6为本发明H型大梁框架对角位置位移随载荷变化（Q345材料） 示意图。

图7为本发明H型大梁框架测量应变随载荷变化（Q345材料）示意 图。

图8为本发明H型大梁框架对角位置位移随载荷变化（QSTE700材 料）示意图。

图9为本发明H型大梁框架测量应变随载荷变化（QSTE700材料） 示意图。

具体实施方式

参见图1～图9，本发明的H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试装置， 其包括，H型大梁框架1，其一对角两端分别放置在两个底部支撑座2、2’ 上，即框架长度方向和纵向方向H型大梁联接交叉点位于底部支撑座2、 2’上；其中一个底部支撑座2为滚动支撑，其包括底板21及其上的半圆 形支撑块22；一加载横梁3，水平放置在H型大梁框架1的另一对角两端 上；加载横梁3两端下设横梁加载支座4、4’，将载荷均匀传递给H型 大梁框架1；保持加载横梁3中心与框架1中心一致；加载液压缸5，设 置于所述加载横梁3中心位置，加载液压缸5连接动力泵6、加载仪7；H 型大梁框架1两端H型大梁11、11’中部外侧面即H型断面的上下翼111、 112（以H型大梁11为例，下同）内侧面及腹板113外侧面分别粘贴五片 应变片a～e、a’～e’，其中，腹板113外侧面自上向下粘贴三片应变片c、 d、e，各应变片分别电性连接平衡电桥8，平衡电桥8电性连接计算机9； H型大梁框架1两端H型大梁11（以H型大梁11为例）对应X、Y、Z 三个方向分别设置位移计10、10’、10”，各位移计分别电性连接平衡电 桥8，平衡电桥8电性连接计算机9。

本发明的H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试方法，包括如下步骤：

1）测试平台搭建

将待测H型大梁框架的一对角两端分别放置在两个底部支撑座上，即 框架长度方向和纵向方向H型大梁联接交叉点位于底部支撑座上；其中一 个底部支撑座为滚动支撑，其包括底板及其上的半圆形支撑块；

在H型大梁框架的另一对角两端上放置一加载横梁，加载横梁两端下 设横梁加载支座，将载荷均匀传递给H型大梁框架；保持加载横梁中心与 H型大梁框架中心一致，并在加载横梁中心位置设加载液压缸，加载液压 缸连接动力泵、加载仪；

加载横梁加载面中心位置划十字交叉线，以保持加载前后左右正确 性，支撑位置对称分布于加载线两侧，以保持加载平衡。

H型大梁框架两端H型大梁中部外侧面即H型断面的上下翼内侧面及 腹板外侧面分别粘贴五片应变片，其中腹板外侧面自上向下粘贴三片应变 片，各应变片分别电性连接平衡电桥，平衡电桥电性连接计算机；校核测 试系统正确性和电路连接合理性，使测试初始值为零；

H型大梁框架加载端对应X、Y、Z向分别设置位移计，各位移计分 别电性连接平衡电桥，平衡电桥电性连接计算机；

2）弯曲扭转测试准备

2.1测试前通过CAE模拟仿真分析初步估量H型大梁发生最大弹 性变形的载荷大小，整个测试过程中载荷大小必须在最大弹性变形载荷范 围内，以保证整个测试过程构件只发生弹性变形；在H型大梁发生最大弹 性变形的载荷范围内，设定阶梯式目标载荷，依次实现不同目标载荷下构 件的力学性能测试；

2.2测试前必须通过预加载调试，保证前后、左右载荷均匀分布， 且调整各相初始值为零；

3）加载测试

在材料弹性范围内，随机加载，通过计算机得到的测量位置位移和 应变调节H型框架支撑、加载横梁及其支撑位置，以保证前后、左右载荷 均匀分布；

通过计算机平衡调节各位移、应变初始值为0；

通过加载仪控制动力泵，使载荷达到目标载荷，然后保值，记录对 应的位移和应变数据，反复测试三次，测试结果取三次数值的平均值，加 载测试完毕，载荷完全卸载；

调节各位移、应变初始值为零后再进行下一次加载测试；

按照试验要求顺序加载，依次实现不同载荷下力学性能测试；

实验结束后，拆除实验装置，并将试样妥善保管。

进一步，如果H型大梁框架上表面不处于水平状态，左右支座按需 要增加垫片，以保证框架上表面水平。

又，所述的底部支撑块轴向与H型大梁框架长度方向呈45度角。

实施例1：H型大梁框架-Q345弯曲扭转试验测试

采用所述试验装置对H型大梁框架-Q345弯曲扭转试验测试，在1KN、 2KN、3KN、4KN、5KN、6KN、7KN、8KN、9KN、10KN加载下，关键 部位的位移变化，如图6所示，关键部位的应变变化，如图7所示。

图6表明，三个方向中，Z轴变化最大达10mm左右，X向变化最小， 在1mm以内，Y轴最大位移量不到2mm。

图7表明，10个应变测试点位置微应变与载荷呈线性变化，变化幅度 比较小，最大拉应变为13με，最大压应变为-19με。

实施例2：H型大梁框架-QSTE700弯曲扭转测试

采用所述试验装置对H型大梁框架-QSTE700弯曲扭转试验测试，在 1KN、1.5KN、2KN、2.5KN、3KN、3.5KN、4KN、4.5KN加载力作用下， 关键部位的位移变化，如图8所示，关键部位的应变变化，如图9所示。

图8表明，Z轴变化最大达12mm左右，X向变化最小，在1mm以内， Y轴最大位移量2mm。

图9表明，10个应变测试点位置微应变与载荷呈线性变化，变化幅度 表较小，最大拉应变为24με，最大压应变为-22με。

采用本发明进行H型大梁框架弯曲扭转力学性能测试方法及装置，可 用于考察H型大梁框架弯曲扭转过程中变形、角度、位移的计算，不仅可 以用于汽车底盘框架性结构的复杂载荷下力学性能的测定，而且可以广泛 地应用于车身其他结构或其他设备框架型结构复杂载荷下的力学性能测 试，具有重要的应用价值。