白车身及四门两盖静态刚度测试系统设计*

杜爱民朱沛沛朱忠攀

（1.同济大学；2.同济汽车设计研究院）

白车身及四门两盖静态刚度测试系统设计*

杜爱民1,2朱沛沛1朱忠攀1,2

（1.同济大学；2.同济汽车设计研究院）

根据对白车身及四门两盖静态刚度测试需求分析，搭建了白车身及四门两盖试验测试平台，提出了适应于各项刚度试验的试验方法及试验流程，设计了静态刚度测量软硬件系统。该测量系统有效整合了白车身与四门两盖静态刚度试验需求，通过统一的数据报告模板实现了试验数据的规范化管理。通过对不同试件的静态刚度试验测试，验证了该测量系统的稳定性和可靠性。

1 前言

2 汽车刚度试验设计方案

白车身以及四门两盖（车门、行李舱盖、发动机舱盖等组件总称）的静态刚度试验是汽车车身轻量化设计的重要试验验证环节，是汽车安全和驾驶舒适性的重要衡量指标，也是汽车轻量化技术的主要研究实施对象[1]。近年来，国内外围绕白车身刚度试验的研究较多[3～6]，但均没有对四门两盖等其它组件的刚度测量方法进行研究，而四门两盖是轻量化设计的重要组成部分，且比白车身有更多的刚度试验要求。为此，本文根据企业对白车身及四门两盖静态刚度测试需求搭建了刚度测试试验平台，通过不同类别的静态刚度试验，得到了面向汽车轻量化设计的静态刚度试验方法与试验流程，并开发出了汽车静态刚度试验软硬件测试与分析系统。

2.1 轻量化技术对汽车刚度试验的影响

汽车刚度是影响汽车性能的关键因素，增加车身刚度可获得良好的舒适性和安全性，然而刚度过大会增加车重、油耗及成本，因此需要确定适当的车身刚度以及刚度与位移的关系来满足汽车性能要求。在保证刚度基本要求的基础上利用轻量化技术减轻汽车整备质量，是汽车刚度试验的主要目的。

轻量化技术发展对刚度试验的影响主要体现在以下几方面。

a.轻量化促使刚度试验目标的转变。汽车刚度试验在车身及四门两盖结构设计中不只起到性能验证的作用，也成为辅助设计的关键环节，使设计人员与试验人员协同工作几率增加。

b.轻量化促使汽车刚度试验项目需求量增加。企业新车型研发以及轻量化材料应用、轻量化结构设计及轻量化工艺制造的多样化等促使刚度试验需求量增加。

c.轻量化促使刚度测量精度要求提高。轻量化技术对车身及四门两盖的结构尺寸设计精度和材料用量要求日益严格，间接促使刚度等试验的测量精度提高。

d.轻量化促使刚度试验周期缩短。面对企业刚度试验项目及试验量的增加，缩短试验周期成为既满足企业试验需求又能降低试验成本的必然趋势。

基于以上刚度试验需求的变化，建立了一套面向汽车轻量化设计的静态刚度试验方法与试验流程。

2.2 试验方法与试验流程

白车身与四门两盖刚度测量试验分为静态扭转刚度试验和弯曲刚度试验两类，且各部件的计算原理相同。扭转刚度是表征试件受到扭矩作用时抗扭转变形的能力，弯曲刚度是表征试件在外力（载荷）作用下抵抗弯曲变形的能力。

扭转刚度GJ计算式为：

式中，M为试件受到的扭矩；θ为试件因扭矩作用产生的扭转角。

弯曲刚度EI计算式为：

式中，F为加载力；δ为在加载力作用下的弯曲挠度值。

由上述可知，扭转刚度与弯曲刚度试验的关键在于获取精准的加载力、扭矩、扭转角和挠度值。在试验过程中，加载力可通过测量得到，扭矩、扭转角和挠度等需要通过测量力及试件形变量计算得到。另外，由于汽车行驶工况的复杂性及四门两盖不同部件具有不同的使用特性，工程试验中不能简单地采用扭转刚度和弯曲刚度来表征汽车抵抗变形的能力，而是需要根据不同的刚度测试试验来制定刚度评价标准。为此，以车门下垂试验和过开试验为例说明刚度评价标准的制定过程。

车门下垂试验（图1）需要测量在加载力F=100～1 000 N作用下，测量点MP1的最大变形量和残余变形量，以表征车门下垂刚度；车门过开试验（图2）需要测量在加载力F=50～500 N作用下车门过开刚度，是用最大车门过开角来表征车门过开刚度。车门过开角计算式为：

式中，γ为车门过开角；LMP1和LMP2为两个测量点的变形量；D是两个测量点间的距离。

为了使静态刚度测试系统更好地面向汽车轻量化，设计了面向汽车轻量化的白车身及四门两盖刚度测试流程，如图3所示。试验流程中整合了仿真与试验的Ⅴ型开发过程，在设计任务需求发布初始阶段，依据参考试件（即可参考的白车身及四门两盖）进行刚度试验，所测试验数据作为CAD建模及CAE分析的参考数据，并形成最初方案。由于白车身及四门两盖结构和用材的多样性，最初方案需要进行轻量化迭代优化，并得到优化后的设计方案，最后进行样件试制和试验验证。

基于以上理论分析和流程设计，搭建了面向汽车轻量化的白车身及四门两盖刚度测试试验台架，并进行了从刚度试验数据采集到刚度试验评估分析的软件设计。

3 静态刚度测试系统硬件设计

3.1 系统架构

采取模块化集成设计的方法进行系统集成设计。考虑到企业实际试验需求，将白车身和四门两盖刚度试验进行了分系统设计，两个子系统的组件分别集成在各自的控制柜和试验台架中，系统架构如图4和图5所示。除试件不同导致加载和固定装置不同外，系统其它部分采取了通用模块化设计，以利于白车身与四门两盖刚度测量组件的灵活替换，提高设备利用率，降低试验硬件成本。

3.2 台架设计

试验台架为T型槽试验平台，根据试件测试点分布和加载要求，在平台上固定了力传感器、位移传感器、信号转接盒和力加载装置以及固定装置等。

该台架采用了国外某公司同一系列不同量程的拉压通用式力传感器，可满足不同刚度试验的测试要求，其量程为0.2～10 kN，精度为±0.15%。力传感器测量信号通过信号转接盒进行信号放大和滤波处理，将测量信号转化成±10 V的电压信号输出。

该台架统一采用光栅式位移传感器来检测试件在加载力作用下的变形量，该位移传感器采用了莫尔条纹的工作原理对外输出TTL脉冲信号。由于刚度试验所需位移传感器较多，故采用计数器信号转接盒对位移传感器信号进行合并转接，滤波后传输至数据采集设备。

该台架引入伺服电动缸实现了部分试验的自动化过程。伺服电动缸是伺服电机与蜗轮蜗杆机构组成的线性执行器的集成体，可控制加载速度、加载方向和稳定时间，提高试验过程中试件外部施加力的加载效率和精准度。

3.3 控制柜设计

我们交谈着慢慢往回走，橘黄色的路灯映着两个小小的身影。我们决定回去后和爸妈好好商讨一番，我们要走自己认为最合适的道路。而且，我终于发现，没有晴天，雨季只会漫长得让人心生厌倦；没有雨季，晴空也永远不会显得那样弥足珍贵。

依据试验需求进行了控制柜一体化设计。图4和图5分别为白车身刚度试验系统架构和四门两盖刚度试验系统架构。由图4和图5可看出，两个试验系统控制柜均集成了同样的上位机和数据采集设备，数据采集机箱与数据采集卡选取了美国NI公司的数据采集系统，可根据试验所需最大通道数不同，在数据采集机箱内集成不同数量的数据采集板卡。另外，四门两盖刚度测量采用了伺服电动缸自动加载，额外集成了PLC控制系统与伺服电动机驱动器等设备。

上位机采用机架式工控机，工控机内嵌R232串口通讯卡与PLC控制器进行通讯，PLC控制器根据上位机指令与伺服电机驱动器通讯实现电动缸控制，另外，工控机还通过与数据采集机箱的通讯来获取力传感器与位移传感器的信号，从而形成了对电动缸闭环的控制系统（图6），以实现四门两盖刚度测量试验的自动化加载与数据采集。

由于传感器与数据采集机箱来自于不同的生产厂家，在从传感器到数据采集机箱的信号传递过程中还需要考虑信号的转接问题，因此进行了信号转接盒的设计。整个信号转接盒系统由模拟量信号转接盒、计数器信号转接盒及控制柜中内嵌的为转接盒供电的电源盒等组成。

4 系统软件设计

4.1 数据采集软件开发环境

采用Labview2010作为软件开发平台进行上位机控制程序和人机界面的开发。Labview是基于虚拟仪器思想面向图形化的编程语言，具有丰富的驱动和硬件接口，方便测试系统的集成控制，另外Labview还提供许多分析函数和虚拟仪器模块，方便数据分析和信号处理以及菜单、按钮、报表等控件的设计。

4.2 数据采集软件功能及程序设计

数据采集软件的主要功能如图7所示，主要分为试验信息录入、试验数据采集、自动生成报告和电动缸控制等4个模块。

试验信息录入主要包括传感器信息、测量点坐标以及试验项目选择，由于力传感器信号为±10 V电压信号，位移传感器是±5 V脉冲信号，且传感器型号不是唯一的，因此需要根据不同传感器进行参数标定，以力传感器为例，其标定公式为：

式中，C为传感器标定参数；Fmax与Fmin为力传感器测量量程的极限值；Umax与Umin为力传感器对外输出电压范围的极限值，如量程为±1 000 N的传感器，其输出电压范围为±10 V，则其标定参数C为100。

在刚度试验过程中，由于试验类别不同，所以所需的力传感器也不同，一般有200 N、500 N、1 000 N、5 000 N、10 000 N等一系列传感器可供选择，为此测试软件开发了传感器配置模块。图8为对应软件操作界面的截图，界面左栏为传感器的标定参数值与滤波器选择，右侧为根据测量点要求部署传感器的位置坐标。

测量点坐标是精确计算试件刚度的基础，也是生成试验报告的关键信息，因此需要进行精确测量并计算。另外同一类型的刚度试验往往存在其它一些相同的试验信息配置，因此测试软件中可以将这些信息进行封装，通过试验项目选择即可完成类似项目的配置。

试验数据采集模块是通过labview的生产者消费者模式架构进行的软件开发，生产者模式循环中可调用NI DAQmx数据采集驱动进行数据采集卡参数配置，并通过数据采集卡I/0功能控制外部转接盒硬件滤波，采集试验原始数据信号并进行入队列存储；消费者模式循环中将采集到的原始数据进行出队列操作，然后对原始数据进行数据筛选、公式计算等一系列预处理操作，处理结果在软件界面里呈现，从而实时监测测试点位移变化曲线、力值变化曲线，根据监测信息控制电机运动，并实现数据的存储及自动报告的生成等功能。图9为电机控制界面，可控制电机的运动状态和主从顺序，同时定义各加载阶段的加载速度、所要达到的目标力值以及达到目标力值的维持时间。

图10为在进行发动机舱盖后梁弯曲试验过程中的软件监控窗口截图，可实时检测目标加载力值与实际力值的变化趋势，以及各加载阶段沿后梁分布的测试点的位移情况。

最后该系统软件针对表1划分的试验项目以及不同试验的评价标准进行了报告模板设计，系统可自动进行原始数据的后处理并生成试验报告。统一形式的试验数据以及自动生成的试验报告有助于缩短数据处理分析时间，加强试验信息的存储与管理，其流程为：试验数据采集→数据计算处理→自动生成报告→试验报告上传→试验报告审核→试验报告入库→试验报告下载→试验报告查阅。图11为基于TCP/IP协议的内部局域网试验报告共享系统。

5 静态刚度测试系统的应用

利用所设计的测试系统在某企业进行了白车身及四门两盖等不同试件的静态刚度试验。

图12为车门下垂试验的试验数据处理结果，其中加载变形曲线表征了在100～1 000 N加载力作用下车门MP1点的变形量，试验要求加载变形量最大值不能超过10 mm；残余变形曲线表征不同加载力卸载后车门残余的变形量，试验要求残余变形量不能超过1 mm。试验结果表明，随加载力的增加，车门变形量和残余变形量均逐渐增加，在最大加载力（1 000 N）作用下的最大变形量为6.11 mm，残余变形量为0.23 mm，满足试验要求。

图13为车门过开试验的试验数据处理结果，过开角度变化曲线表征了在50～500 N加载力作用下车门过开角的大小，常规角度变化曲线表征了卸载后车门过开角的残余值。由图13可看出，车门过开角在加载力作用下呈线性增长趋势。

静态刚度试验结果表明，该汽车刚度测试系统可适用于不同类别的汽车刚度测试试验的实际工程测试需求，可有效提升试验效率。

6 结束语

本文结合汽车轻量化与车身及四门两盖刚度试验需求，提出了适应于白车身及四门两盖各项刚度试验的试验方法与试验流程；通过对白车身与四门两盖静态刚度试验的共性与差异性研究，设计了白车身及四门两盖静态刚度测量软硬件系统。该测试系统有效整合了白车身与四门两盖静态刚度试验需求，通过统一的数据报告模板实现了试验数据的规范化管理，为汽车试验信息化发展与试验数据管理提供了借鉴。通过对不同试件静态刚度试验测试，验证了该系统的稳定性和可靠性。

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

2 范叶,杨沿平,孟先春,等.汽车轻量化技术及其实施途径.汽车工业研究,2006（7）:40～42.

3 袁玲,仇彬,于霞.轿车车身扭转刚度试验方法研究.农业装备与车辆工程,2007（11）:13～16.

4 胡文伟.轿车车身刚度测量.上海汽车,1995（5）:6～8.HU Wenwei.Car body stiffness measurement.Journal of Shang⁃hai Auto,1995（5）:6～8.

5 邵建旺,彭为,靳晓雄，等.SUV白车身静态刚度试验研究.汽车技术,2009（4）:41～44.

6 孙卓,颜德田,韦红雨等.汽车车身静态刚度测量.计算机测量与控制,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.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为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

白车身 静态刚度 测试系统

U467.3

A

1000-3703（2015）11-0052-05

上海大众-同济汽车设计研究院产学研项目T-1209-079-0与上海市信息委专项基金项目201201015资助。