三维光学测量技术在汽车车桥加载测试中的应用

汽车行驶时处于一个相当复杂的振动环境中，其各个零部件都会受到或大或小的应力、应变的作用。经过一定的服役时间，一些零部件便容易发生疲劳损坏，出现裂纹或断裂。据统计，汽车90%以上的零部件损坏都属于疲劳损坏。从汽车诞生的那一天起，疲劳耐久就是整车的重要性能。

汽车车桥（又称车轴）通过悬架与车架（或承载式车身）相连接，其两端安装车轮。车桥的作用是承受汽车的载荷，维持汽车在道路上的正常行驶。作为底盘上的重要部件，其工作环境复杂，容易损坏，甚至会出现断裂，因此车桥的结构优化以及疲劳分析研究成为了一个重点问题。

对于新设计制造的车桥，需要利用专门的高动态性能固定试验台进行模拟加载试验，检测各项工作性能和可靠性指标。由于车桥的工作参数变化范围大，工况复杂多变，传统的测量方式难以精确地测试其关键部位的变形和裂纹出现位置。

在过去，在车桥加载测试中使用传统的应变计来检测关键部位的变形和裂纹，要测量较多点的变形，需要安装众多的位移传感器，使用非常麻烦，精度不高。

在测试之前，难以预测哪里是关键部件变形部位，无法准确测得结构最大应变位置。而且在测试之前，需要预先判断哪里是关键部件变形部位，然后再布置应变片，很难收集到高质量、可靠的测量数据。

三维光学测量方案

采用三维光学测量技术，可以通过全场非接触式测量方式，测试关键部位变形和损伤的起始位置，并实时记录车桥结构表面的全场变形。能直观地看到测量区域内全部的位移应变数据色谱图，获取全场数百万个点的位移应变数据，而不是位移计或者应变片仅有的几十个读数。

基于车桥制造商客户的需求，新拓三维技术工程师分别采用XTDIC三维全场应变测量系统、XTDP三维摄影测量系统，测试车桥在两端施加载荷的工况过程中，结构表面的位移变化以及部件材料的应变变化。

同时，在测试现场，对新拓三维XTDIC系统进行了精度验证。通过在车桥表面采用XTDIC系统和布置应变片同时采集数据，经分析同一位置应变片数据与XTDIC系统所测数据精度差异均在50个微应变以内，使用XTDIC系统可以测得全方位、高质量的数据结果。

在室内环境中，采用XTDIC全场位移应变以及XTDP摄影测量关键点静态变形两种测量方案，观测车桥模拟加载过程中，表面关键位置的位移及应变数据，为车桥的变形检测、可靠性分析提供数据支撑。

DIC动态位移应变测量

车桥加载试验利用四通道实验机控制系统，采用负载控制方式，过程为连续加载1-40吨； 加载时间：120秒；加载到40吨时维持，同时采用XTDIC系统进行全场位移应变测量，提前在车桥表面制备黑白相间的斑点，并将设备架设至被测物正对面，在车桥的变形过程中实时拍摄序列图片，然后通过XTDIC系统进行数据分析，获取其全场位移以及应变。

XTDIC系统可以在任何空间方向生成三维全场变形数据，由于采用非接触测量方式，车桥在整个测试过程中不受任何外力影响。通过预先定义的评估方案，可以观察全场的位移变化情况，并可追踪裂纹形成及扩展的方向。

E方向位移

X/Y/Z单方向位移

通过图像分析，获取车桥表面三维位移场、应变场数据。试样表面应变场的工程数据输出后，可以得出车桥被测表面平均主应变曲线。根据测量结果分析得出，随着车桥载荷的增加，其表面最大主应变成持续增加的趋势，其分析结果与实际预期情况相符。

XTDP静态变形测量

在车桥加载测试过程中，采用XTDP摄影测量系统多角度拍摄被测位置照片，进行四种不同载荷下的关键点变形测量，对被测车桥的每一个变形状态进行拍摄，车桥静态变形的结果可在三维显示区中以色谱图的方式显示出来。

以下为车桥在4/6/16/40吨加载后关键点位移分析结果图。

4吨加载测试下的车桥关键点位移

6吨加载测试下的车桥关键点位移

10吨加载测试下的车桥关键点位移

16吨加载测试下的车桥关键点位移

采用三维光学测量技术，通过非接触测量获取重载汽车车桥在负载下的全场位移应变，分析其在不同工况下结构受力过程位移变化，及其材料表面的应变情况，对于车桥材料以及结构的失效提供了可靠的数据分析。

使用全场变形测量方式，对车桥加载变形测试，结合有限元分析情况，可以精准地验证车桥结构中应力值较高的单元集，有助于判断车桥结构危险点的疲劳情况及寿命，分析车桥受力加载过程的结构应力应变情况，变形关键位置和裂纹演化，是非常高效、精确的测试方法。