案例分享：颠覆传统认知的拖车挂接装置载荷

传统加载方法认为，在拖车挂接装置的球头应该施加来自拖车牵引架重量的向下载荷，而True-Load载荷识别却发现了一个颠覆传统加载认知的现象：拖车在道路上高速行驶时，拖车前部区域受到明显的空气动力载荷作用产生提升力矩，从而在拖车挂接装置上产生向上的力。

HITCHED: TRAILER LOAD CALCULATION USING LOADRECONSTRUCTIO

Tim Hunter, Ph.D., P.E. President, Wolf StarTechnologies, LLC

The Trailer Hitch:Problem description

目的：识别汽车拖车挂接装置上所受到的来自后置弹出式露营车的载荷。

拖车挂接装置的三维模型由反向工程得到。

使用的数据采集系统DAQ是一个DTS切片微型数据采集系统，具有6个¼桥应变传感通道。该装置由一个小电池供电，数据通过USB线下载，采用微测量CEA-XX-250UW-350-P2应变计。这些应变计带有预焊接导线，其计量长度为0.250英寸，6英寸长的导线未经屏蔽。为了外部电子噪声最小化，短引线连接到数据采集系统的屏蔽线缆上。

The Trailer Hitch:Unit Loads

在Abaqus/CAE模型上创建拖车挂接装置的单位载荷，单位载荷(FX, FY, FZ)施加在挂接球心位置。

在拖车挂接转置的销位置施加平动约束(UX=UY=UZ=0)，考虑到挂接装置后部上边缘油漆标记受到磨损，在垂直方向上施加约束（UY=0）。

The Trailer Hitch:Pre-Test

True-Load软件的Pre-Test模块载入下图所示的3个单位载荷FEA应变结果。

通过True-Load/Pre-Test规划的贴片位置如下图所示。

True Load软件提供了一个实用的功能来帮助使用者判断相关性矩阵的稳定性：通过计算各单位载荷工况的理想应变，然后对理想应变添加5%的随机信号噪声，之后这些应变信号乘以相关性矩阵得到相应的载荷响应。理想情况下，每一载荷应逐个打开的同时其它载荷处于关闭状态。下图显示了该应变贴片情况下载荷对应变噪声的敏感性。

以上曲线显示，所选贴片系统对应非常稳定的载荷识别系统，应变信号的噪声在可接受范畴。

The Trailer Hitch:Strain Gauge Application

规划的应变片位置绘制在模型上，进一步使用卡尺和其它工具将应变片安装在零件相应位置上。

The Trailer Hitch:Test Data Collection

应变片安装在拖车挂接装置上后，将应变片与DTS切片微数据采集系统连接。应变数据的采样频率为每秒1000次。

拖车在各种路面上正常运行时进行数据采集，如下是一组典型的应变测试数据。

TheTrailer Hitch: Post-Test

一旦采集了应变测试数据，就可以进行载荷识别了。将测量的应变数据乘以从FEA模型中提取的相关性矩阵来进行载荷识别。拖车挂接装置上的每一个载荷的识别结果均是一个载荷比例因子时间历程。

基于True-Load软件进行载荷识别后软件自动生成一份HTML报告，从报告中可以看到相应的相关性图，相关性图绘制了FEA模型中应变片位置的测量应变与基于识别载荷的仿真应变之间的关系。

利用完整的载荷时程和FEA模型，获得拖车挂接装置的工作挠度形状，下图显示拖车挂接装置工作偏转的一个状态。

Conclusion

结构上的复杂/非线性载荷可进行高精度识别，确定复杂的载荷自由度(FX, FY, FZ)是一个值得重视的工程问题。采用传统的载荷测量技术，不易得到拖车挂接装置上的载荷。尽管挂接处可安装一个3自由度的载荷传感器，但安装载荷传感器的工装需要进行特殊加工，导致了传统的载荷传感器无法获得挂接球位置的载荷，其原因是载荷传感器必须安装在远离球的地方。基于True-Load，无需特别技能，通过测试规划在结构上有效放置应变片，几乎可反算FEA分析师需要的任何载荷。利用True-Load计算这些载荷，每个载荷自由度只需约20美元的2个单向应变片，这是一种确定结构上复杂载荷的便捷、高效方法。

该项目通过True-Load载荷识别发现了一个有趣现象，颠覆了挂接装置传统的直观加载猜想，传统的工程方法是计算拖车的牵引架重量，并将该载荷向下施加到拖车挂接装置上，然而仔细研究True-Load识别得到的载荷时间历程图，就可以看出在驾驶过程的大部分时间内，垂直（FY）载荷是向上作用的。这是因为拖车在道路上高速行驶时，拖车前部区域受到显著的空气动力载荷作用产生提升力矩，从而在拖车挂接装置上产生向上的力。这一点工程师在加载时未必能够考虑到，但True-Load载荷识别结果揭示了这一可能被忽视的现象；当车辆处于静止/接近静止状态时（图示载荷时间历程的最开始部分），拖车挂接装置上的垂向载荷向下，这与拖车挂接装置传统的载荷施加方法一致。