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国内两试验场载荷谱等效分析

2017/11/10    来源:互联网    作者:荣兵  肖攀  何长江  周建文      
关键字:等效分析  伪损伤一致  SN曲线  雨流计数  
本文以某SUV车型在国内某目标试验场(A试验场)的已知路试规范为基础,制定新试验(B试验场)下的等效路试规范,最终验证了等效分析的有效性。

    0 引言

    整车耐久性能试验场规范,用于模拟用户实际路面驾驶工况,在整车开发过程中验证整车耐久性能。随着整车三包政策的日益严格和市场竞争的加剧,各大整车厂逐步意识到耐久性能开发的重要性,而试验规范的准确与否,直接关系到耐久性能开发的质量、成本与周期,因此试验规范的有效性分析研究也越来越被重视,其中文献就基于伪损伤进行试验场道路与用户道路的当量分析,文献则对定远试验场和襄阳试验场部分道路进行了当量分析。

    通常试验规范的制订和优化经历4个阶段:(1)参照国外试验场规范,这是国内整车企业初期采用的方式,但其与国内实际道路及用户工况的等效性上仍有一定差异;(2)随着国内整车试验场数量的增多,部分企业提出从试验场A向试验场B迁移的需求,为保证A试验场规范和B试验场规范的一致性,从而开展了试验场关联工作;(3)由于原有试验场规范通常是参照国外或国内其它试验场规范制订,其针对国内道路情况及用户的习惯和分布并无关联,目前部分企业已开始开展用户关联工作;(4)为提升市场竞争力,部分整车企业提出延长整车质保期限,如从3年10万公里延长至3年15万公里,规范外推工作必不可少。以上工作随着载荷谱采集技术和CAE仿真技术的日益成熟而变得可行。

    本文以某SUV车型在国内某目标试验场(A试验场)的已知路试规范为基础,制定新试验(B试验场)下的等效路试规范,其中研究内容包括以下几个方面:(1)制定两试验场载荷谱采集方案和载荷谱采集,以及载荷谱分析处理;(2)等效通道的选择,以及伪损伤等效理论下的SN曲线定义;(3)将试验场路试规范进行分类,在A和B试验场的相同类别间进行伪损伤等效分析,并制定等效的B试验场路试规范;(4)最终将各等效通道的雨流统计频次曲线与穿级计数曲线进行对比分析,验证了B试验场路试规范的等效程度。

    1 载荷谱采集及处理

    1.1 载荷谱采集

    载荷谱采集车型为某SUV车型,该车型前悬架为麦弗逊结构形式,后悬架为多连杆结构形式。同时为满足所采集的载荷谱数据能有效地支持后续的整车耐久性能仿真分析、台架试验和试验场等效分析工作,采集通道工95个,主要包括以下信号类别:(1)外部激励载荷一轮心六分力载荷;(2)悬架位移行程信号;(3)二力杆部件的拉压力信号;(4)加速度信号;(5)应变信号;(6)GPS及路面分割逻辑信号等。其中二力杆件信号需要通过相应的标定,获得标定系数,从而将应变信号转化为力信号,后悬前束调节杆标定详见图1,其余杆件标定类似,二力杆件测试通道及相应的标定系数详见表1。

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    图1 后悬前束调节杆标定

    表1 采集二力杆信号列表

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    A试验场的路试规范按区域划分为三类:(1)强化坏路;(2)模拟山路;(3)高环。其中A试验场的载荷谱采集方案完全根据已知的路试规范制定,由于B试验场路试规范未知,在载荷谱采集方案制定时,需要综合考虑A试验场中所包含的路面工况、操作规范(制动、加速等),同时还要结合B试验场的布局及行驶规范。最终应完成对B试验场各路面工况尽可能全面的载荷谱采集工作。考虑到路面偶然因素和驾驶习惯的影响,载荷谱采集数据样本具备九次正确的数据,分别为三个驾驶员,各采集三次。A和B试验场采集区域如图2和3所示,主要包括强化坏路区域、制动区域、坡道区域和高环区域。

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    1.2 载荷谱处理

    由于试验场中涉及到大量的过渡路段,其对疲劳损伤影响很小,故通过对不同路面进行分割用于去除过渡路段,同时也对不同路面的载荷谱数据进行标识。此外,信号还需进行必要的滤波、去毛刺漂移等常规处理。处理后A试验场载荷谱数据统计如下:1、强化坏路区域中包括8个工况;2、模拟山路区域包括4个制动工况和4个坡道工况;3、高环工况。B试验场载荷数据统计如下:1、强化坏路区域中包括27个工况;2、模拟山路中包括4个制动工况和8个坡道工况;3、高环工况。由于两试验场的制动区域、坡道区域和高环区域的布局和路面几何特征基本一致,且以上三种工况对车辆结构的损伤主要来源于驾驶员的操作方法,而不取决于路面几何特征,故本文中不对其进行等效分析。

    对分割处理后的各工况数据的有效样本进行统计,大部分工况的有效样本量为9个。由于车辆结构部件的疲劳损伤来源于外部激励载荷,故计算各样本六分力信号的伪损伤,结合参考文献中方法计算伪损伤向量,并用于后期的样本筛选。样本筛选的目的是使得后期分析的样本更具有代表性,文中样本筛选原则如下:1、仅有一次有效样本的工况,即选用该唯一样本;2、存在两次有效样本的工况,选取伪损伤向量较大者;3、存在三个及以上有效样本的工况,采用Rossow抽样原则(50%存活率)选取伪损伤向量居中者。

    2 试验场载荷谱等效分析原则

    2.1 等效通道的确定

    试验场载荷谱的等效分析,主要依据载荷谱中各通道的伪损伤对比评估其等效的程度,按理选择的等效通道越多,最终所能达到的等效程度越高,但也应该分清各通道信号对结构损伤的主次关系,例如:外部激励通道信号重要程度大于车辆内部通道信号;力通道信号重要程度大于加速度通道信号;全局通道信号(悬架行程信号,其决定了相应的车身姿态)重要程度大于局部通道信号(局部应变信号)。故根据以上原则,同时为满足对车辆结构部件耐久性能的全面考察,文中所选择的等效通道为55个,详细通道说明如下:1、24个外部激励载荷一轮心六分力载荷;2、4个悬架位移行程信号;3、8个悬架系统二力杆部件的拉压力信号;4、2个稳定杆扭矩信号;5、12个轮心加速度信号(X、Y、Z三个方向加速度);6、4个车身塔顶加速度信号(Z向加速度);7、1个车身上应变信号。

    基于疲劳累积损伤理论,不管是力、力矩还是应变都被认为是传感器所在点的广义应力,通过SN曲线,即可求得广义损伤或称伪损伤。试验场等效的前提是伪损伤等效,然而伪损伤等效后,结构部件的真实损伤是否也等效,影响参数主要取决于用于计算伪损伤的SN曲线是否选择正确。故为保证各通道伪损伤一致的情况下,对车辆结构所造成的真实损伤也一致,计算伪损伤的SN斜率需满足以下规律。

    将两试验场所有采集工况进行单次组合,然后对等效的55个通道的随机谱进行雨流计数,确定在双对数坐标系下幅值与频次的关系曲线。依据SN曲线的定义,可将该曲线定义为求解伪损伤的SN曲线,但由于在双对数坐标系下幅值与频次的关系并非是一条直线,则需要对数据进行直线拟合。考虑到高幅值对疲劳损伤贡献量较大的因素,拟合直线的数据仅包括高幅值区域内接近于直线段的数据,从而以该拟合直线的斜率做为计算伪损伤的SN曲线斜率,确保了伪损伤比与真实损伤比的一致性,如图4所示,拟合直线的斜率及为SN曲线斜率。同时SN曲线的截距&需大于等于雨流计数中的最大幅值,该项目中截距S。统一选取为雨流统计中最大幅值的10倍,按以上规律确定的55个通道所对应的SN曲线参数如表2所示。

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    图4 SN曲线斜率的确立

    表2 各等效通道SN曲线参数

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责任编辑:张纯子
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