基于Glyphworks的汽車排氣系統(tǒng)加速耐久試驗(yàn)載荷譜的研究

徐華平, 崔京寶

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2. 天納克汽車工業(yè)中國(guó)研發(fā)中心,上海 201814)

基于Glyphworks的汽車排氣系統(tǒng)加速耐久試驗(yàn)載荷譜的研究

徐華平1, 崔京寶2

(1. 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)(2. 天納克汽車工業(yè)中國(guó)研發(fā)中心,上海 201814)

在損傷等效和失效模式相同的前提下,應(yīng)用疲勞分析軟件Glyphworks,對(duì)從試驗(yàn)場(chǎng)采集的汽車排氣系統(tǒng)道路載荷譜進(jìn)行編輯.得到預(yù)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間和保留不同損傷量的臺(tái)架試驗(yàn)加速載荷譜編輯結(jié)果,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.結(jié)果表明:與傳統(tǒng)耐久試驗(yàn)方法相比,該方法能在更短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確再現(xiàn)失效模式.

排氣系統(tǒng); 加速試驗(yàn); 損傷等效; 試驗(yàn)譜編輯; 應(yīng)變壽命

對(duì)于隨機(jī)類的汽車排氣系統(tǒng)載荷疲勞加速試驗(yàn),傳統(tǒng)做法是將試驗(yàn)載荷譜加以濃縮或強(qiáng)化,或?qū)⒃荚囼?yàn)譜乘上一個(gè)強(qiáng)化系數(shù),以縮短試驗(yàn)時(shí)間[1].但其中存在太多的經(jīng)驗(yàn)和估計(jì)因素,很難作出確定的損傷量化對(duì)比,因此傳統(tǒng)方法存在誤差過大和不確定性等問題.

文獻(xiàn)[2]中通過對(duì)汽車道路耐久性試驗(yàn)及載荷譜驅(qū)動(dòng)汽車臺(tái)架耐久性試驗(yàn)的試驗(yàn)車輛響應(yīng)信號(hào)和臺(tái)架信號(hào)的對(duì)比分析,探討了路譜驅(qū)動(dòng)臺(tái)架耐久性試驗(yàn)的可行性.文獻(xiàn)[3]中提出了一種可用來采集大規(guī)模汽車用戶道路行駛載荷譜的新方法,這種方法將應(yīng)變信號(hào)和加速度與載荷之間建立統(tǒng)計(jì)函數(shù)關(guān)系,通過實(shí)車試驗(yàn)和載荷數(shù)據(jù)處理,建立統(tǒng)計(jì)推斷模型.研究結(jié)果表明,這種方法可以采集大規(guī)模用戶道路載荷譜,進(jìn)而合成試驗(yàn)譜.

文中以某乘用車排氣系統(tǒng)為研究對(duì)象,通過實(shí)測(cè)道路載荷數(shù)據(jù),借助疲勞分析軟件Glyphworks,重點(diǎn)闡述了臺(tái)架試驗(yàn)的加速試驗(yàn)譜的編輯過程,提出一套基于損傷等效的汽車排氣系統(tǒng)加速耐久試驗(yàn)方法,并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證.

1 道路載荷譜編輯原理

1.1 應(yīng)變-壽命法與Miner 累積損傷理論

應(yīng)變-壽命法是廣泛用于汽車結(jié)構(gòu)件疲勞壽命計(jì)算的方法,它能有效計(jì)入焊縫、應(yīng)力集中等現(xiàn)象所產(chǎn)生的局部循環(huán)塑性變形效應(yīng)[4].其基本假設(shè)是:若構(gòu)件由同種材料制成,且危險(xiǎn)部位的最大應(yīng)力應(yīng)變譜相同,那么它們具有相同的疲勞壽命.結(jié)合材料的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線,將構(gòu)件上的名義應(yīng)力載荷譜轉(zhuǎn)換成危險(xiǎn)部位的局部應(yīng)力應(yīng)變譜,然后根據(jù)危險(xiǎn)部位產(chǎn)生的局部應(yīng)力應(yīng)變譜來進(jìn)行疲勞壽命的預(yù)估[5].應(yīng)變幅值εa與對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅值σa的關(guān)系式為:

εa=εae+εap=σa/E+(σa/K′)1/n′

(1)

應(yīng)變-壽命法曲線的表達(dá)式為:

(2)

Miner 從能量的角度出發(fā),作了如下假設(shè):試樣所吸收的能量達(dá)到極限值時(shí)產(chǎn)生疲勞破壞,且吸收的能量與其循環(huán)數(shù)間存在著正比關(guān)系.Miner 累積損傷理論忽略了加載次序及載荷間相互作用的影響,形式簡(jiǎn)單,精度較高,廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中[6-7].Miner線性損傷累積表達(dá)式為:

(3)

式(1～3)中:εa為應(yīng)變幅值;εae為彈性應(yīng)變幅值;εap為塑性應(yīng)變幅值;σa為應(yīng)力幅值;E為彈性模量;K′為循環(huán)強(qiáng)度系數(shù);n′為循環(huán)應(yīng)變硬化系數(shù);σf′為疲勞強(qiáng)度系數(shù);εf′為疲勞延性系數(shù);b為疲勞強(qiáng)度指數(shù);c為疲勞延性指數(shù);l為載荷等級(jí);ni為各載荷水平下的循環(huán)次數(shù);Ni為各載荷水平下的疲勞壽命;N為疲勞壽命;D為疲勞總損傷[8].

1.2 雨流計(jì)數(shù)法

雨流計(jì)數(shù)法對(duì)應(yīng)力應(yīng)變遲滯回線逐個(gè)計(jì)數(shù),能較好地反映隨機(jī)加載的全過程.該法在計(jì)數(shù)原則上有明確的力學(xué)挖掘,并具有較高的正確性,也易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和程序化[9].圖1為雨流計(jì)數(shù)法模型.

圖1 雨流計(jì)數(shù)法模型

2 道路載荷譜的采集與編輯

2.1 道路載荷譜的采集

排氣系統(tǒng)上粘貼應(yīng)變片后在指定的試車場(chǎng)地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,得到各種路面的載荷譜,再對(duì)載荷譜進(jìn)行編輯,得出臺(tái)架試驗(yàn)的加速試驗(yàn)譜.圖2為道路載荷數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).圖3為臺(tái)架加速試驗(yàn)流程圖.

a) e-DAQ數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

b)應(yīng)變片粘貼位置

圖3 臺(tái)架加速試驗(yàn)流程

2.2 加速耐久試驗(yàn)譜編輯方法

借助Glyphworks的疲勞壽命分析模塊,利用應(yīng)變-壽命法進(jìn)行原始信號(hào)壽命分析.汽車排氣系統(tǒng)局部疲勞耐久性試驗(yàn)重點(diǎn)考慮消聲器和管路連接處的失效[10],它直接影響整個(gè)排氣系統(tǒng)的疲勞壽命.以排氣管與消聲器的焊縫在ABS路面道路載荷數(shù)據(jù)為例,進(jìn)行加速耐久試驗(yàn)譜編輯.對(duì)道路采集的時(shí)域應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理,如去漂移、去尖峰等.預(yù)處理后的應(yīng)變時(shí)間歷程如圖4a)所示,其信號(hào)長(zhǎng)度為140 s.圖4b)為經(jīng)應(yīng)變-壽命法分析后得到的相應(yīng)損傷時(shí)間歷程.表1給出與原始信號(hào)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、預(yù)測(cè)壽命和預(yù)計(jì)耐久試驗(yàn)時(shí)間.

a) 應(yīng)變時(shí)間歷程

b) 損傷時(shí)間歷程

項(xiàng)目值應(yīng)變循環(huán)數(shù)6221信號(hào)長(zhǎng)度/s140預(yù)測(cè)壽命次數(shù)1.289E+4預(yù)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間/h501總損傷值7.76037E-5

表1中,這段長(zhǎng)度為140 s的信號(hào),包含有6 221個(gè)大小應(yīng)變循環(huán),所產(chǎn)生損傷值為7.760 37E-5,若進(jìn)行耐久試驗(yàn),預(yù)測(cè)壽命為1.289E+4個(gè)循環(huán),折合時(shí)間為501 h.

圖5為原始信號(hào)的雨流循環(huán)直方圖和損傷分布圖.從圖可知,信號(hào)中存在很多應(yīng)變水平很低、相應(yīng)損傷很小的成分,且這部分應(yīng)變信號(hào)占據(jù)很長(zhǎng)的時(shí)間歷程.

a) 雨流直方圖

b) 損傷分布

3 加速耐久試驗(yàn)譜編輯預(yù)估

在保證相當(dāng)損傷的前提下,盡可能縮短試驗(yàn)時(shí)間是編輯加速耐久試驗(yàn)譜的目的,這樣做使得試驗(yàn)時(shí)間縮短的同時(shí)更實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)資源的節(jié)省,包括人力、物力和費(fèi)用等.其難點(diǎn)在于如何確定保留損傷量和保留時(shí)間長(zhǎng)度之間的關(guān)系.所以有必要通過對(duì)加速試驗(yàn)譜的預(yù)估來檢驗(yàn)加速試驗(yàn)譜編輯結(jié)果的正確性.圖6為損傷保留與時(shí)間保留關(guān)系曲線簇.

圖6 損傷保留與時(shí)間保留關(guān)系曲線簇

通過疲勞損傷編輯器可以得到窗口長(zhǎng)度為1～5之間9條表示保留損傷與保留時(shí)間關(guān)系的損傷-時(shí)間關(guān)系曲線簇,窗口長(zhǎng)度為1表示每1 s總損傷被計(jì)算一次.圖6中自左至右為窗口長(zhǎng)度等于1,1.5,2,2.5,…,5的9個(gè)值的曲線,從曲線圖看出,保留同樣的損傷值,窗口長(zhǎng)度越長(zhǎng),編輯后的信號(hào)保留時(shí)間越長(zhǎng),因此,文中選取最小窗口長(zhǎng)度1進(jìn)行加速耐久試驗(yàn)譜的編輯.表2是疲勞編輯預(yù)估結(jié)果.

表2 損傷保留與時(shí)間保留關(guān)系預(yù)估結(jié)果

4 基于損傷等效的加速試驗(yàn)譜編輯

在實(shí)測(cè)的道路載荷譜中,存在著大量對(duì)疲勞損傷影響不大的小信號(hào),即小量,刪除它們可以得到濃縮載荷譜,這種濃縮的信號(hào)可以比較合理地保留實(shí)測(cè)道路載荷信號(hào)的疲勞損傷特性[11].

能夠代替原始信號(hào)做加速試驗(yàn)的濃縮信號(hào)必須符合以下原則[12]:

1)濃縮信號(hào)產(chǎn)生的損傷值與原始信號(hào)產(chǎn)生的損傷值大致相同;

2)濃縮信號(hào)和原始信號(hào)對(duì)樣件產(chǎn)生的失效模式基本一致.

為了避免在移去原始應(yīng)變信號(hào)中損傷較小段以后,在信號(hào)連接處出現(xiàn)跳躍現(xiàn)象,文中在該處插入一個(gè)連接信號(hào),即在相鄰頂點(diǎn)用半余弦曲線連接,圖7為連接方法.

圖7 用半余弦曲線連接相鄰頂點(diǎn)

根據(jù)上節(jié)加速耐久試驗(yàn)譜編輯預(yù)估中討論的疲勞編輯參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,結(jié)合上述疲勞編輯原理,對(duì)排氣管和消聲器焊縫在ABS路面的道路載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯,所選材料為SS409cold.表3為不同損傷保留下的時(shí)域信號(hào)長(zhǎng)度與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)時(shí)間的關(guān)系.

表3 保留不同損傷量對(duì)應(yīng)疲勞編輯結(jié)果

從表3中的信號(hào)長(zhǎng)度保留可以看出,疲勞編輯結(jié)果與第3節(jié)中預(yù)估的信號(hào)時(shí)間保留量基本一致.由此可以得出:如果保持與原始信號(hào)一樣的損傷量，即100%的損傷量,用來指導(dǎo)試驗(yàn)所需要的時(shí)間將由原來的501 h縮短為61 h;損傷量保留95%時(shí),試驗(yàn)時(shí)間將大大縮短為18 h;損傷量保留90%時(shí),試驗(yàn)時(shí)間為14 h,利用這種耐久試驗(yàn)方法,原本需要近2月的試驗(yàn)在1～3 d即可完成,達(dá)到了加速耐久試驗(yàn)的目的,節(jié)省了試驗(yàn)成本.

圖8為雨流循環(huán)計(jì)數(shù)和對(duì)應(yīng)的損傷分布圖(100%損傷和90%損傷),由圖可以看出,加速耐久譜編輯的實(shí)質(zhì)是將原始信號(hào)中循環(huán)次數(shù)多,幅值很小的載荷信號(hào)直接刪除,而在相應(yīng)的損傷分布圖中將小于某一門檻值的小損傷量刪除.圖上顯示,保留損傷量越小,在雨流循環(huán)計(jì)數(shù)和損傷分布圖中,小幅值載荷和小損傷量就變得越少,柱狀塊也更加稀疏.

a) 100%損傷

b) 90%損傷

圖9是保留不同損傷量所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變時(shí)間歷程和損傷時(shí)間歷程(100%損傷和90%損傷).從圖中可以清楚看到:損傷量保留越少,其對(duì)應(yīng)的應(yīng)變時(shí)間歷程中信號(hào)密度越小,而對(duì)應(yīng)的損傷歷程中損傷信號(hào)也變得稀少.

a) 100%損傷

b) 90%損傷

5 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

將損傷量保留100%的載荷譜編輯結(jié)果通過標(biāo)定轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-時(shí)間載荷譜,利用該載荷譜對(duì)排氣管和消聲器焊縫連接處進(jìn)行了疲勞臺(tái)架試驗(yàn),連接處噴上白漆以利于觀察裂紋.圖10為臺(tái)架裝夾示意圖.

圖10 臺(tái)架裝夾示意

進(jìn)行3組試驗(yàn),典型失效模式對(duì)比如圖11.左邊3組是采用傳統(tǒng)方法501 h后的結(jié)果,右邊3組編號(hào)是采用文中方法61 h后的結(jié)果.通過與傳統(tǒng)利用正弦波指導(dǎo)疲勞臺(tái)架試驗(yàn)方法的對(duì)比發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)樣件失效模式相似.

6 結(jié)論

對(duì)汽車排氣系統(tǒng)焊縫連接處采集的道路載荷進(jìn)行編輯,刪除損傷較小應(yīng)變時(shí)間歷程后,得到損傷等效的加速試驗(yàn)譜.試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比說明所采用載荷譜編輯方法具有可行性.該方法實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)與試車場(chǎng)道路試驗(yàn)準(zhǔn)確關(guān)聯(lián),同時(shí)使得試驗(yàn)過程加速,試驗(yàn)時(shí)間減少到原來的12.2%,縮短了產(chǎn)品試驗(yàn)周期.為汽車零部件的加速耐久試驗(yàn)研究提供了有益的參考.

圖11 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

References)

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(責(zé)任編輯： 童天添)

Study on the durability accelerated experimental load spectrum for automotive exhaust system based on Glyphworks

Xu Huaping1, Cui Jingbao2

(1.School of Energy and Power Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003,China)(2. Tenneco China Technical Center,Shanghai 201814,China)

On the premise of the same failure mode and damage equivalence, the loading spectra of the exhaust system of a passenger car were edited by using fatigue strength analysis software Glyphworks. Then both the test duration and fatigue editing were displayed with various damage retained,and validation test was conducted. Compared with traditional durability tests, the test duration and cost of our method were reduced markedly.

exhaust system; accelerated test; damage equivalence; test spectrum edit; E-N life

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.03.010

2013-12-18

徐華平(1979—)，男，講師，研究方向?yàn)椴裼蜋C(jī)性能優(yōu)化及排放控制.E-mail:xhp@just.edu.cn

U464

A

1673-4807(2014)03-0250-05