轨道客车车体静强度试验测试系统准确性研究

丁学彬

摘要：在轨道客车整车车体静强度试验测试前，需要首先保证整个试验测试系统的准确性，从而使得试验测试中得到的数据，可以与有限元分析值进行比对，减少由于试验测试中测试设备及边界条件所引起的误差，进而使其满足轨道客车行业的分析与试验对比误差标准。

关键词：轨道客车；车体静强度；试验测试；准确性

一、应变片分类及原理

对于平面应变问题，一点的应变状态包括两个正应变和1个剪应变，一点应变状态的二维图如图1所示。

一般测试条件下，剪应变难以通过直接进行试验测试的方法得到。因此，对于未知主应变方向的二维应变状态，一般需要布置由3个不同方向的单向应变片组成的应变花以得到不同方向上的线应变，然后通过各应变分量之间的关系得到一点应变状态。测试常用的应变花，如图2所示。

应变花计算需分别计算0°，45°和90°数据，其分别表示应变花中各方向的应变（试验中，ε0，ε1，ε2角度分别对应θ0=0°，θ1=90°，θ2=45°）。最大主应变、最小主应变、等效应变将按以下公式分别计算：

式中，εmax为最大主应变，εmin为最小主应变，为等效应变，ν为泊松比。

二、试验测试系统建立

在轨道客车整车车体静强度试验前，为保证整个试验测试系统的准确性，需进行系统性的验证试验，本次验证试验所用应变片为单向应变片及三轴45°应变花，整个验证试验具体做法为：整个试验装置将一个5mm厚的材质为A588-A的长方形样件固定在约束端，质量为25kg的配重块悬挂在自由端。

将不同方向的单向应变片、应变花按不同的距离粘贴在试验样件上，其中T1为轴向单向应变片，T2为45°应变片，T3为横向单向应变片，TR1、TR2及TR3为不同位置粘贴的应变花，具体位置参数详见图3所示。25kg的载荷会引起杆的弹性变形，对其进行理论计算，以得到预测沿杆长的对应位置的应变值（如有效应变、主应变）。本试验具备与整车试验一致的设备安装及数据采集系统。

图3 试验样件贴片尺寸

该验证试验选取两种不同的质量及长度组合去完成，共有以下两种试验组合：试验1为施加相对较重的配重块（25kg），该配重块悬挂在短长度（280mm）上；试验2有相对较轻的重量（6kg），悬挂在较长的长度（540mm）上。这两个试验的设计值分别占到该样件弹性承载能力的一定比例（试验1为100%，试验2为46%），同时在垂向载荷施加点达到最大20mm的挠度。

该试验需要建立和试验样件同尺寸的有限元分析（FEA）模型，以验证与整车车体静强度试验相关的有限元方法的正确性。

该试验验证系统的建立与车体静强度试验测试紧密结合。因在传统轨道客车车体静强度布点工作中，门角、窗角等位置通常按45°角布置单向片。但经过大量分析试验对比，我们发现以上位置通常并不一定在45°角处发生最大应变。因此为对比此类关键位置分析与试验对比数据的准确性，在该试验验证系统中分别布置单向应变片及应变花，以消除方向性的误差，达到更切合实际的局部结构的应力变化试验及分析对比。

三、试验测试

在本验证试验完成以上两个试验并记录试验数据后，将实测应变与手工计算和有限元计算得到的应变预测值进行比较。基于以上整套系统的几何模型，建立ANSYS有限元模型。该模型中应用的网格尺寸及模拟方法与用于整车静强度试验相关的整車有限元模型的方法一致。包括用于在试验测试中基于以上两种配重块的试验分析在试验方案确定下来即需要开展，将理论计算结果与仿真分析结果进行初步对比。其中理论计算，用参数化的计算方式实现，通过输入已知的位置，材料性能等基本参数进行计算。

结论

本次系统测试试验通过两次试验进行有限元、理论计算值与测试值等效VonMises应变值比较，得到单向应变片理论与试验值最大误差为12%，有限元分析指与试验值最大误差为9%，表明该系统对单向应变片的测量精度可以满足大部分情况下的试验需求，符合相关测试标准。通过两次试验进行有限元、理论计算值与测试值等效VonMises应变值比较，得到应变花理论与试验值最大误差为6%，有限元分析指与试验值最大误差为10%。以上结果表明该系统对应变花的测量精度可以满足大部分情况下的试验需求，符合相关测试标准。

此类系统性的验证试验，为轨道车的整车静强度测试提供了宝贵经验；可以反映试验整体测试系统的有效性及误差率，在整车系统性对标过程中具有重要的参考价值。

参考文献

[1]田家熙.应变花角度偏差对主应变测量的影响及其消除方法[J].武汉钢铁学院学报，1984（3）：31-36.

[2]栗震霄.应变片的贴片方位偏差对测量结果的影响[J].计量技术，1994（9）：23-25.

[3]李艳，李新娥，裴东兴.应变式压力传感器及其应用电路设计[J].计量与测试技术，2007，34（12）：32-33.

（作者单位：中车唐山机车车辆有限公司）