基于相對(duì)疲勞損傷譜的整車(chē)疲勞耐久試驗(yàn)加速方法研究

李　偉，端木瓊，趙成剛

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)工程研究院，天津　300300）

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基于相對(duì)疲勞損傷譜的整車(chē)疲勞耐久試驗(yàn)加速方法研究

李偉，端木瓊，趙成剛

（中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)工程研究院，天津300300）

摘要：提出一種基于相對(duì)疲勞損傷譜的疲勞耐久試驗(yàn)加速方法。以某轎車(chē)為研究對(duì)象，在試驗(yàn)場(chǎng)采集軸頭加速度信號(hào)和減振器位移信號(hào)，以結(jié)構(gòu)耐久性試驗(yàn)程序的相對(duì)疲勞損傷譜為目標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化算法對(duì)試驗(yàn)程序進(jìn)行優(yōu)化，在保證相對(duì)疲勞損傷譜一致前提下，最大限度地縮短試驗(yàn)周期。

關(guān)鍵詞：整車(chē)疲勞；耐久試驗(yàn)；相對(duì)疲勞損傷譜；加速方法

1　概　述

在整車(chē)開(kāi)發(fā)流程中，車(chē)輛的疲勞耐久性是廠商重點(diǎn)關(guān)注的性能指標(biāo)，直接影響到客戶的滿意度和車(chē)輛的三包成本。目前，對(duì)整車(chē)疲勞耐久性的考核方法有多種，主要分為實(shí)車(chē)路試和試驗(yàn)室道路模擬試驗(yàn)[1]。

試驗(yàn)場(chǎng)工況是評(píng)估車(chē)輛疲勞耐久性能的重要依據(jù)，它集成了對(duì)整車(chē)造成較大疲勞損傷的各種極端工況。典型的試驗(yàn)場(chǎng)工況主要有：鐵軌交叉、搓板路、砂石路、比利時(shí)路、坑洞路、越野路、鄉(xiāng)村公路等。每一種工況都是車(chē)輛真實(shí)使用情況的濃縮，通過(guò)加大路面強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)疲勞損傷的累計(jì)。

試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)是通過(guò)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)各種工況的載荷譜采集，將車(chē)輛的受力情況從試驗(yàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到試驗(yàn)室內(nèi)，用液壓伺服系統(tǒng)模擬并執(zhí)行耐久性評(píng)估測(cè)試，使臺(tái)架模擬試驗(yàn)與試驗(yàn)場(chǎng)工況評(píng)估具有相同的疲勞損傷[2]。相對(duì)于實(shí)車(chē)路試，其主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）測(cè)試條件一致，試驗(yàn)結(jié)果客觀，避免人員操作習(xí)慣造成結(jié)果差異。

2）不受天氣影響，可以進(jìn)行全天候24 h試驗(yàn)，同時(shí)試驗(yàn)室具有相對(duì)較高的保密等級(jí)。

3）待多數(shù)缺陷已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并改進(jìn)后，再進(jìn)行路試，保證測(cè)試人員的安全。

4）最為重要的一點(diǎn)是，能夠在保證相對(duì)疲勞損傷一致的前提下，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)工況的優(yōu)化組合縮短疲勞耐久驗(yàn)證周期。

2　試驗(yàn)加速方法的理論基礎(chǔ)

2.1振動(dòng)激勵(lì)的來(lái)源

試驗(yàn)車(chē)在進(jìn)行疲勞耐久性考核過(guò)程中，造成損傷的激勵(lì)源主要來(lái)自路面激勵(lì)和自身動(dòng)力總成的激勵(lì)。路面激勵(lì)主要是32 Hz以下的低頻成分，它主要受路面狀態(tài)、輪胎狀態(tài)、車(chē)輪的動(dòng)平衡和懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性決定；動(dòng)力總成的激勵(lì)主要是分布在10 Hz～500 Hz范圍內(nèi)的中高頻成分，主要由發(fā)動(dòng)機(jī)的高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生。路面激勵(lì)是重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象[3]。

2.2試驗(yàn)加速方法分析

試驗(yàn)加速主要目的是用較短的時(shí)間驗(yàn)證產(chǎn)品在正常使用狀態(tài)下的壽命。因此，試驗(yàn)樣件的失效模式必須相同，所執(zhí)行的試驗(yàn)加速方法才具有意義。通常加速耐久試驗(yàn)的方法有三種：頻域加速、應(yīng)力加速和信號(hào)壓縮。這些方法都能有效縮短測(cè)試時(shí)間并降低成本，但每種方法都有其缺點(diǎn)。

1）頻域信號(hào)加速以頻率為參考量，對(duì)信號(hào)進(jìn)行編輯。在疲勞耐久試驗(yàn)中，共振頻率范圍往往對(duì)樣件的疲勞損傷貢獻(xiàn)最大，所以在頻域加速過(guò)程中保留共振頻率十分重要。刪除低損傷頻域段，能有效縮短驗(yàn)證時(shí)間。但增加試驗(yàn)頻率，往往造成樣件中橡膠件的提前破壞。

2）應(yīng)力加速通常增加試驗(yàn)載荷的振幅，提高加載的疲勞損傷等級(jí)，以縮短試驗(yàn)時(shí)間。但這種方式可能導(dǎo)致失效方式的改變，如使高周疲勞變?yōu)榈椭芷赱4]。

3）信號(hào)壓縮方法去除路譜信號(hào)中的連接路面，或以某損傷值為閥值，去除對(duì)損傷貢獻(xiàn)較小的小振幅數(shù)據(jù)以縮短試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)間。這種方法對(duì)坑洼路、鐵軌交叉路等瞬時(shí)高損傷工況比較有效，但對(duì)于卵石路、比利時(shí)路等接近于白噪聲的信號(hào)往往會(huì)刪除一些有效數(shù)據(jù)。

因此，在總結(jié)以上試驗(yàn)加速方法的基礎(chǔ)上，本文以相對(duì)損傷譜（RDS）為研究目標(biāo)，提出一種綜合的試驗(yàn)加速方法。

2.3RDS和FDS方法

相對(duì)疲勞損傷譜（RDS）和疲勞損傷譜（FDS）都是討論疲勞損傷與頻率的關(guān)系，輸入信號(hào)可以是加速度，也可以是位移。當(dāng)使用加速度信號(hào)作為輸入時(shí)，需要對(duì)加速度時(shí)域信號(hào)進(jìn)行2次積分，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的位移值，這個(gè)位移值是與加載載荷和疲勞損傷相關(guān)的[5]。

對(duì)整車(chē)的疲勞耐久試驗(yàn)，損傷和頻率都是重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容，因?yàn)檐?chē)輛中不同樣件的敏感激勵(lì)頻率不同，這是由車(chē)輛動(dòng)力學(xué)和樣件的固有頻率決定的；激勵(lì)路譜的頻率范圍是由路面狀態(tài)和測(cè)試車(chē)速共同決定的。

RDS之所以叫相對(duì)疲勞損傷譜是因?yàn)檎?chē)由不同的材料組成。不同材料SN曲線統(tǒng)計(jì)時(shí)材料特性不同，本算法計(jì)算疲勞損傷時(shí)取相對(duì)平均結(jié)果，統(tǒng)計(jì)的是特定工況路譜對(duì)樣件的平均疲勞損傷效果。RDS為低頻振動(dòng)提供了一個(gè)有效的方法，它能夠把一種路面的損傷狀態(tài)劃分為5～6個(gè)小的頻域范圍，它的計(jì)算流程如圖1所示。圖1中，將0～32 Hz劃分為5個(gè)頻帶，分別進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)繪制出疲勞損傷關(guān)于頻率的直方圖。截止頻率之所以定為32 Hz是由路面激勵(lì)低頻特性決定的[6]。

在同樣頻率范圍內(nèi)，F(xiàn)DS需要?jiǎng)澐指嗟念l率計(jì)算點(diǎn)，以達(dá)到相同的精確程度。在處理高頻信號(hào)時(shí)，F(xiàn)DS比RDS更具有優(yōu)勢(shì)，因?yàn)镽DS受限于過(guò)低的頻譜分辨率，這樣的特性決定了RDS適用于路譜激勵(lì)的疲勞損傷計(jì)算，而FDS則更適用于動(dòng)力總成激勵(lì)造成的疲勞損傷。本文采用RDS疲勞損傷譜的方法。

3　基于RDS的試驗(yàn)加速方法的實(shí)現(xiàn)

疲勞耐久試驗(yàn)加速方法的實(shí)現(xiàn)是基于損傷線性累計(jì)原理，試驗(yàn)場(chǎng)路譜矩陣[PG]以直方圖的形式反映試驗(yàn)場(chǎng)各種路況的損傷特性，如圖2所示。每一列代表固定配重和固定車(chē)速狀態(tài)下采集的一種路況的疲勞損傷。每一列代表數(shù)據(jù)處理頻帶的劃分。目標(biāo)矢量[Target]代表整車(chē)耐久需要考核的目標(biāo)損傷量[7]；系數(shù)[Repeats]代表[PG]需要多少次循環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)損傷，如公式（1）所示。

使用最小二乘法使相對(duì)疲勞損傷計(jì)算值與目標(biāo)值盡可能趨近，如公式（2）所示。

每種路況Repeats的值大于等于零。

3.1路譜數(shù)據(jù)采集

因?yàn)槭褂幂喬ヱ詈纤耐ǖ赖缆纺M試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)證整車(chē)的疲勞耐久性能，因此需要采集車(chē)輛軸頭Z向加速度和軸頭到車(chē)身的相對(duì)位移量。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅骶哂斜容^差的低頻響應(yīng)，如果對(duì)頻率處理不當(dāng)，在采集信號(hào)中引入錯(cuò)誤信息，會(huì)對(duì)采集車(chē)速和路面情況造成干擾。因此，在大多數(shù)情況下，對(duì)加速度進(jìn)行二重積分計(jì)算出位移，是一個(gè)更好的辦法，因?yàn)樗桥c載荷成正比，能夠?yàn)镽DS計(jì)算提供一個(gè)有效的輸入[8]。

軸頭加速度信號(hào)用于疲勞損傷計(jì)算，位移信號(hào)用于數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。在北京通縣試驗(yàn)場(chǎng)采集各種耐久路況加速度信號(hào)作為數(shù)據(jù)源。

3.2加速度數(shù)據(jù)的分析和計(jì)算

對(duì)軸頭加速度信號(hào)進(jìn)行RSD相對(duì)疲勞損傷統(tǒng)計(jì)，與目標(biāo)譜進(jìn)行對(duì)比優(yōu)化計(jì)算，縮短試驗(yàn)驗(yàn)證周期。試驗(yàn)過(guò)程加速應(yīng)遵循以下原則：加速后的試驗(yàn)失效模式應(yīng)與目標(biāo)路譜組合的失效模式一致；加速后的試驗(yàn)譜不應(yīng)出現(xiàn)不切實(shí)際異常高的載荷；在合理的加速前提下，盡可能縮短試驗(yàn)時(shí)間。

加速度數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下：

1）將試驗(yàn)場(chǎng)采集的加速度信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除尖峰、毛刺、零點(diǎn)漂移和其它異常信號(hào)，同時(shí)去除連接路面等低損傷數(shù)據(jù)。

2）利用nCode數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行各種路況在試驗(yàn)配重和車(chē)速狀態(tài)下的RDS相對(duì)疲勞損傷進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)。本論文中以鋼筋路、鵝卵石路、砂石路和輕比利時(shí)路為例進(jìn)行計(jì)算[9]。計(jì)算流程如圖3所示。

3）依照試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范，將鋼筋路、鵝卵石路、砂石路和輕比利時(shí)路各跑50個(gè)循環(huán)，試驗(yàn)時(shí)間為9.63 h，計(jì)算4種路況各50個(gè)循環(huán)產(chǎn)生的RDS疲勞損傷譜[10]，結(jié)果如圖4所示。

4）如上所述，應(yīng)用公式（1），計(jì)算優(yōu)化后保證RDS損傷效果一致的前提下4種工況的循環(huán)次數(shù)，計(jì)算過(guò)程如圖5所示，加速優(yōu)化前/后結(jié)果如表1所示。

表1　加速前/后目標(biāo)路譜循環(huán)次數(shù)

如上表所示，加速優(yōu)化后的目標(biāo)循環(huán)數(shù)由200次變?yōu)?30次，不再需要鋼筋路和鵝卵石路；目標(biāo)時(shí)間由9.63 h變?yōu)?.41 h。在保證損傷等效的基礎(chǔ)上，大大地縮短了試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)間，節(jié)約了成本。

5）加速前后相對(duì)損傷值的對(duì)比如圖6所示。兩條線段分別代表目標(biāo)譜在每個(gè)頻域范圍內(nèi)RDS相對(duì)損傷譜和試驗(yàn)加速后新的循環(huán)組合在每個(gè)頻域范圍內(nèi)RDS

相對(duì)損傷譜，對(duì)比后一致性較好。圖中三角符號(hào)代表砂石路在相應(yīng)頻段內(nèi)損傷貢獻(xiàn)量；圓形符號(hào)代表比利時(shí)路在相應(yīng)頻段內(nèi)損傷貢獻(xiàn)量。因此，得出結(jié)論：鋼筋路和鵝卵石路對(duì)RDS相對(duì)損傷量貢獻(xiàn)較小。

4　結(jié)論

采用RDS加速試驗(yàn)的方法相比于傳統(tǒng)的切除低損傷數(shù)據(jù)等加速方法是一種更加全局系統(tǒng)化的方法。本文通過(guò)四立柱疲勞耐久試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證，在保證損傷考核一致的前提下，試驗(yàn)時(shí)間縮短約32%，縮短了研發(fā)驗(yàn)證周期。同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)室特點(diǎn)，本方法經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證是一種高效可靠的試驗(yàn)方法，可以將其進(jìn)行完善后推廣應(yīng)用到整車(chē)27通道軸耦合疲勞耐久試驗(yàn)臺(tái)和MASTTABLE多自由度零部件疲勞耐久試驗(yàn)臺(tái)，為提升試驗(yàn)效率，節(jié)約試驗(yàn)成本做出相應(yīng)的貢獻(xiàn)。

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修改稿日期：2015-08-24

Study on Acceleration Method for Vehicle Durability Test Based on Relative Fatigue Damage Spectrum

Li Wei, Duan Muqiong, Zhao Chenggang
(Automobile Engineering Research Institute, China Automotive Technology&Research Center, Tianjin 300300, China)

Abstract：The authors propose a durability test acceleration method based on relative fatigue damage spectrum （RDS）. Taking a vehicle as the research object, they acquire the spindle acceleration signal and shock-absorber displacement signal. Theytake the RDSofstructural durabilitytest procedures as a target tooptimize the test procedure through optimizingalgorithm. And under the premise ofguaranteeingthe RDSconsistent, theytrytoshorten the test cycle as possible.

Key words:vehicle fatigue; durabilitytest; relative fatigue damage spectrum（RDS）; acceleration method

中圖分類(lèi)號(hào)：U467.4+97

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-3331（2016）02-0046-03

作者簡(jiǎn)介：李偉（1977-），男，工程師；發(fā)展部副主任；主要從事汽車(chē)耐久性能開(kāi)發(fā)工作。