汽車試驗場載荷譜等效分析技術(shù)

榮 兵，肖 攀

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

整車耐久性能試驗場規(guī)范，用于模擬用戶實際路面駕駛工況，在整車開發(fā)過程中驗證整車耐久性能。隨著整車三包政策的日益嚴(yán)格和市場競爭的加劇，各大整車廠逐步意識到耐久性能開發(fā)的重要性，而試驗規(guī)范的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到耐久性能開發(fā)的質(zhì)量、成本與周期，因此試驗規(guī)范的有效性分析研究也越來越被重視。王萬英等[1]以偽損傷為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗場道路與用戶道路的當(dāng)量分析，陳孟春等[2]則對定遠(yuǎn)試驗場和襄陽試驗場的部分道路進(jìn)行了當(dāng)量分析。

通常試驗規(guī)范的制訂和優(yōu)化要經(jīng)歷4個階段：（1）參照國外試驗場規(guī)范是國內(nèi)整車企業(yè)初期采用的方式，但其與國內(nèi)實際道路及用戶工況的等效性上仍有一定差異。（2）隨著國內(nèi)整車試驗場數(shù)量的增多，部分企業(yè)提出從試驗場A向試驗場B遷移的需求，為保證A試驗場規(guī)范和B試驗場規(guī)范的一致性，開展了試驗場關(guān)聯(lián)工作。（3）由于原試驗場規(guī)范通常是參照國外或國內(nèi)其它試驗場規(guī)范制訂的，與國內(nèi)道路情況及用戶的習(xí)慣和分布并無關(guān)聯(lián)，目前部分企業(yè)已開始開展用戶關(guān)聯(lián)工作。（4）為提升市場競爭力，部分整車企業(yè)提出延長整車質(zhì)保里程，如從3年10萬km延長至3年15萬km，規(guī)范外推工作必不可少。以上工作隨著載荷譜采集技術(shù)和CAE仿真技術(shù)的日益成熟而變得可行。

本文以某sUV車型在國內(nèi)某目標(biāo)試驗場（A試驗場）的已知路試規(guī)范為基礎(chǔ)，制定新試驗（B試驗場）下的等效路試規(guī)范，研究內(nèi)容包括以下幾個方面：（1）制定兩個試驗場的載荷譜采集方案，并進(jìn)行載荷譜采集和分析處理。（2）等效通道的選擇，以及偽損傷等效理論下的S-N曲線定義。（3）將試驗場路試規(guī)范進(jìn)行分類，在A、B試驗場的相同類別間進(jìn)行偽損傷等效分析，并制定等效的B試驗場路試規(guī)范。（4）最終將各等效通道的雨流統(tǒng)計頻次曲線與穿級計數(shù)曲線進(jìn)行對比分析，驗證了B試驗場路試規(guī)范的等效程度。

1 載荷譜采集及處理

1.1 載荷譜采集

載荷譜采集車型為某sUV，該車型前懸架為麥弗遜結(jié)構(gòu)形式，后懸架為多連桿結(jié)構(gòu)形式。同時，為滿足所采集的載荷譜數(shù)據(jù)能有效地支持后續(xù)的整車耐久性能仿真分析、臺架試驗和試驗場等效分析工作，采集通道共設(shè)95個，主要包括以下信號類別：（1）外部激勵載荷-輪心六分力載荷。（2）懸架位移行程信號。（3）二力桿部件的拉壓力信號。（4）加速度信號。（5）應(yīng)變信號。（6）GPs及路面分割邏輯信號等。其中，二力桿件信號需要通過相應(yīng)的標(biāo)定，獲得標(biāo)定系數(shù)，從而將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)化為力信號，后懸前束調(diào)節(jié)桿標(biāo)定如圖1所示，其余桿件標(biāo)定類似，二力桿件測試通道及相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)詳見表1。

圖1 后懸前束調(diào)節(jié)桿標(biāo)定

表1 采集二力桿信號列表

A試驗場的路試規(guī)范按區(qū)域劃分為三類：強化壞路、模擬山路和高環(huán)。其中，A試驗場的載荷譜采集方案完全根據(jù)已知的路試規(guī)范制定，由于B試驗場路試規(guī)范未知，在制定載荷譜采集方案時，需要綜合考慮A試驗場中所包含的路面工況、操作規(guī)范（制動、加速等），同時還要結(jié)合B試驗場的布局及行駛規(guī)范，最終應(yīng)完成對B試驗場各路面工況盡可能全面的載荷譜采集工作?？紤]到路面偶然因素和駕駛習(xí)慣的影響[3]，載荷譜采集數(shù)據(jù)樣本具備9次正確的數(shù)據(jù)，分別為3個駕駛員，各采集3次。A、B試驗場采集區(qū)域如圖2和圖3所示，主要包括強化壞路區(qū)域、制動區(qū)域、坡道區(qū)域和高環(huán)區(qū)域。

圖2 A試驗場采集區(qū)域

圖3 B試驗場采集區(qū)域

1.2 載荷譜處理

由于試驗場中涉及到大量的過渡路段，其對疲勞損傷影響很小，所以通過對不同路面進(jìn)行分割用于去除過渡路段，同時也對不同路面的載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識。此外，信號還需進(jìn)行必要的濾波、去毛刺漂移等常規(guī)處理。處理后的A試驗場載荷譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：（1）強化壞路區(qū)域中包括8個工況。（2）模擬山路區(qū)域包括4個制動工況和4個坡道工況。（3）高環(huán)工況。B試驗場載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計如下：（1）強化壞路區(qū)域中包括27個工況。（2）模擬山路中包括4個制動工況和8個坡道工況。（3）高環(huán)工況。由于兩個試驗場的制動區(qū)域、坡道區(qū)域和高環(huán)區(qū)域的布局和路面幾何特征基本一致，且以上3種工況對車輛結(jié)構(gòu)的損傷主要來源于駕駛員的操作方法，而不取決于路面幾何特征，所以本文中不對其進(jìn)行等效分析。

對分割處理后的各工況數(shù)據(jù)的有效樣本進(jìn)行統(tǒng)計，大部分工況的有效樣本量為9個。由于車輛結(jié)構(gòu)部件的疲勞損傷來源于外部激勵載荷，所以計算各樣本六分力信號的偽損傷，結(jié)合參考文獻(xiàn)[3] 和文獻(xiàn)[4]中的方法計算偽損傷向量，并用于后期的樣本篩選。樣本篩選的目的是使后期分析的樣本更具有代表性，文中樣本篩選原則如下：（1）僅有一次有效樣本的工況，即選用該唯一樣本。（2）存在兩次有效樣本的工況，選取偽損傷向量較大者。（3）存在3個及以上有效樣本的工況，采用Rossow抽樣原則（50%存活率）選取偽損傷向量居中者。

2 試驗場載荷譜等效分析原則

2.1 等效通道的確定

試驗場載荷譜的等效分析，主要依據(jù)載荷譜中各通道的偽損傷對比評估其等效的程度，按理選擇的等效通道越多，最終所能達(dá)到的等效程度越高，但也應(yīng)該分清各通道信號對結(jié)構(gòu)損傷的主次關(guān)系，例如：外部激勵通道信號重要程度大于車輛內(nèi)部通道信號；力通道信號重要程度大于加速度通道信號；全局通道信號（懸架行程信號決定了相應(yīng)的車身姿態(tài)）重要程度大于局部通道信號（局部應(yīng)變信號）。根據(jù)以上原則，為滿足對車輛結(jié)構(gòu)部件耐久性能的全面考察，本研究所選擇的等效通道為55個，詳細(xì)通道說明如下：（1）24個外部激勵載荷-輪心六分力載荷。（2）4個懸架位移行程信號。（3）8個懸架系統(tǒng)二力桿部件的拉壓力信號。（4）2個穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)矩信號。（5）12個輪心加速度信號（x、y、z三個方向加速度）。（6）4個車身塔頂加速度信號（z向加速度）。（7）1個車身上應(yīng)變信號。

基于疲勞累積損傷理論，不管是力、力矩還是應(yīng)變都被認(rèn)為是傳感器所在點的廣義應(yīng)力，通過S-N曲線，即可求得廣義損傷或稱偽損傷。試驗場等效的前提是偽損傷等效，然而偽損傷等效后，結(jié)構(gòu)部件的真實損傷是否也等效，其影響參數(shù)主要取決于用于計算偽損傷的S-N曲線是否選擇正確。因此，為保證在各通道偽損傷一致的情況下，對車輛結(jié)構(gòu)所造成的真實損傷也一致，計算偽損傷的S-N斜率需滿足以下規(guī)律[5]。

將兩個試驗場的所有采集工況進(jìn)行單次組合，然后對等效的55個通道的隨機(jī)譜進(jìn)行雨流計數(shù)，確定在雙對數(shù)坐標(biāo)系下幅值與頻次的關(guān)系曲線。依據(jù)S-N曲線的定義，可將該曲線定義為求解偽損傷的S-N曲線，但由于在雙對數(shù)坐標(biāo)系下幅值與頻次的關(guān)系并非是一條直線，則需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合。考慮到高幅值對疲勞損傷貢獻(xiàn)量較大的因素，擬合直線的數(shù)據(jù)僅包括高幅值區(qū)域內(nèi)接近于直線段的數(shù)據(jù)，從而以該擬合直線的斜率做為計算偽損傷的S-N曲線斜率，確保了偽損傷比與真實損傷比的一致性，如圖4所示，擬合直線的斜率即為S-N曲線斜率。同時，S-N曲線的截距S0需大于等于雨流計數(shù)中的最大幅值，該項目中截距S0統(tǒng)一選取為雨流統(tǒng)計中最大幅值的10倍，按以上規(guī)律確定的55個通道所對應(yīng)的S-N曲線參數(shù)見表2。

圖4 S-N曲線斜率的確立

表2 各等效通道S-N曲線參數(shù)

2.2 載荷譜等效分析的評價指標(biāo)

對等效分析的評價主要依靠所選等效通道間的偽損傷比值來進(jìn)行，評價指標(biāo)越接近1，等效程度越高；還可用等效通道的雨流統(tǒng)計頻次曲線、穿級計數(shù)曲線的對比間接地體現(xiàn)等效分析的可靠性，但并沒有具體的量化性指標(biāo)進(jìn)行考核，當(dāng)然是曲線越接近越好。值得注意的是，在進(jìn)行公共路面與試驗場等效分析時，由于公路路面的載荷譜幅值完全不可能達(dá)到試驗場載荷譜的幅值范圍，所以等效通道間的雨流曲線、穿級計數(shù)曲線對比會存在較大的差異，也沒有更大的參考價值。

對于等效通道的偽損傷比，雖然是一個量化的參數(shù)，但由于在等效分析中需要考核的通道較多，且在組合試驗場規(guī)范時，要考慮試驗場各路面的具體布局、試驗場行駛要求、路試規(guī)范總里程等眾多因素，所以在工程應(yīng)用中，偽損傷比的評價指標(biāo)并沒有一個明確的范圍，原則上通道越多、越接近1越好，當(dāng)然也要區(qū)分主要載荷通道（外部激勵通道或主要變化通道）、次要載荷通道（內(nèi)部加速度等）。為了保證新規(guī)范能對舊規(guī)范進(jìn)行全面體現(xiàn)，在滿足所有通道接近1的條件下，個別通道的偽損傷比值會較大。

3 兩試驗場載荷譜等效分析

根據(jù)前文對載荷譜的分析，將其分為三大類：模擬山路工況、高環(huán)工況和強化壞路工況。針對模擬山路和高環(huán)工況，由于兩個試驗場的路面構(gòu)造一致，所以在B試驗場中直接沿用A試驗場規(guī)范，不再做相應(yīng)的等效分析。針對強化壞路工況的等效分析詳見下文。

基于A試驗場強化壞路規(guī)范，利用上文所確定的S-N曲線，計算出55個等效通道的偽損傷目標(biāo)值，可記為目標(biāo)矩陣T，其中可知T為55×1的矩陣，詳見式（1）。計算出B試驗場中27個強化壞路工況在單次循環(huán)下的55個等效通道偽損傷，可形成一個55×27的單次循環(huán)偽損傷矩陣D，詳見式（2）。則兩個試驗場強化環(huán)路上的等效工作，即是對B試驗場中27個強化環(huán)路工況的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行最優(yōu)求解，設(shè)其對應(yīng)的解為一個27×1的矩陣O，詳見式（3），最終形成的矩陣方程詳見式（4）。

結(jié)合B試驗場強化壞路區(qū)域中27個工況的布局和單次循環(huán)里程，將B試驗場強化壞路里程介于5 000 ～7 000 km作為求解式（4）的約束條件，利用Matlab編程對矩陣方程進(jìn)行優(yōu)化求解[6]，其優(yōu)化目標(biāo)以及在工程應(yīng)用中需要考慮的因素在前文2.2節(jié)已進(jìn)行了詳細(xì)闡述，該目標(biāo)也是載荷譜等效分析的評價指標(biāo)。將優(yōu)化結(jié)果與實際工程應(yīng)用中需要考慮的因素相結(jié)合，最終各等效通道的偽損傷比值見表3，將表中各等效通道進(jìn)行分類對比分析如下：（1）1～12通道為外界對車輛的主要力載荷，也是對車輛部件造成疲勞損傷的主要來源，其偽損傷比值范圍為0.644～1.716，等效程度較高。（2）13～24通道為外界對車輛的主要力矩載荷，雖然耐久強化路工況均為勻速工況，但由于駕駛員在各次載荷譜采集中收放油門踏板操作的差異（載荷譜采集車輛為前輪驅(qū)動），從而導(dǎo)致了前輪驅(qū)動力矩（通道17和18）的偽損傷值對比差距較大。此外，其余通道的偽損傷比值范圍為0.595～1.999，等效程度較高，通常在驅(qū)動工況下傳動部件與轉(zhuǎn)向節(jié)之間存在旋轉(zhuǎn)自由度，驅(qū)動力矩不會對底盤部件造成相應(yīng)的疲勞損傷，所以不考慮在此情況下的前輪驅(qū)動力矩。在制動工況下，x向輪心力與y向輪心力矩存在一定的比例關(guān)系（My為Fx與輪胎滾動半徑之積），但前輪x向輪心力（通道1和2）的高等效程度也從側(cè)面說明在驅(qū)動工況下造成的前輪y向力矩的差異不會影響前輪x向力的差異。（3）25～28通道為懸架彈簧位移行程信號，它是反映車身運動姿態(tài)的全局信號通道，偽損傷比值范圍為0.684～0.868，等效程度較高。（4）列表中省略通道的偽損傷比值范圍為0.573～1.786。（5）55通道為車身應(yīng)變通道，其偽損傷比值為1.088，從車身實際受力角度出發(fā)，驗證了兩個試驗場的等效性。

表3 優(yōu)化后等效通道偽損傷比

優(yōu)化后的B試驗場強化路面工況所對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)見表4，表中所有工況循環(huán)次數(shù)都為430次的倍數(shù)，所以將430次做為B試驗場強化區(qū)域路試規(guī)范的大循環(huán)次數(shù)，每個小循環(huán)里再按各工況對應(yīng)次數(shù)（優(yōu)化循環(huán)次數(shù)除以430次）進(jìn)行串聯(lián)，從而制定了B試驗場強化區(qū)域的可行性路試規(guī)范。結(jié)合B試驗場強化區(qū)域的連接路面里程，推算出等效的強化路試規(guī)范總里程約5 300 km。

表4 B試驗場強化區(qū)域等效優(yōu)化循環(huán)次數(shù)

由于篇幅限制，本研究僅對等效后的左前輪輪心力通道載荷譜進(jìn)行雨流統(tǒng)計頻次曲線和穿級計數(shù)曲線的對比分析，如圖5～10所示。由圖可知：（1）在雨流統(tǒng)計頻次曲線對比中，各通道載荷幅值范圍基本一致，且各幅值范圍對應(yīng)的頻次也基本一致。（2）在穿級計數(shù)曲線對比中，各通道平衡點附近的穿級次數(shù)，B試驗場明顯高于A試驗場，這主要是由B試驗場中加入的小載荷路面引起（如淺灘、長波、碎石、砂石等路面）的，但各通道在平衡點以外，大幅值穿級區(qū)域穿級次數(shù)都基本一致。

圖5 左前輪心x向力雨流統(tǒng)計頻次曲線對比

圖6 左前輪心x向力穿級計數(shù)曲線對比

圖7 左前輪心y向力雨流統(tǒng)計頻次曲線對比

圖8 左前輪心y向力穿級計數(shù)曲線對比

圖9 左前輪心z向力雨流統(tǒng)計頻次曲線對比

圖10 左前輪心z向力穿級計數(shù)曲線對比

4 結(jié)論

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)汽車試驗場也不斷增加，雖然各試驗場對車輛性能的考察目的都基本一致，但相互之間也存在一定的差異，當(dāng)試驗場路試規(guī)范從一個試驗場轉(zhuǎn)移到另一個試驗場時，就有必要對試驗場之間進(jìn)行相應(yīng)的等效分析。

本研究以A試驗場已知路試規(guī)范為基礎(chǔ)，利用某sUV車型進(jìn)行A、B試驗場的載荷譜采集，同時對載荷譜進(jìn)行分析和分類。針對模擬山路和高環(huán)工況，由于兩試驗場路面構(gòu)造一致，所以在B試驗場中直接沿用A試驗場規(guī)范，不再做相應(yīng)的等效分析。針對強化壞路工況，依據(jù)等效通道偽損傷一致的原則，進(jìn)行A、B試驗場的等效優(yōu)化，并制定B試驗場路試規(guī)范，最終通過對等效通道的偽損傷對比，以及雨流統(tǒng)計頻次曲線和穿級計數(shù)曲線的對比，驗證了等效分析的有效性。