汽車試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜等效分析技術(shù)

榮 兵，肖 攀

（中國(guó)汽車工程研究院，重慶 401122）

整車耐久性能試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范，用于模擬用戶實(shí)際路面駕駛工況，在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中驗(yàn)證整車耐久性能。隨著整車三包政策的日益嚴(yán)格和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，各大整車廠逐步意識(shí)到耐久性能開(kāi)發(fā)的重要性，而試驗(yàn)規(guī)范的準(zhǔn)確與否，直接關(guān)系到耐久性能開(kāi)發(fā)的質(zhì)量、成本與周期，因此試驗(yàn)規(guī)范的有效性分析研究也越來(lái)越被重視。王萬(wàn)英等[1]以偽損傷為基礎(chǔ)進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)道路與用戶道路的當(dāng)量分析，陳孟春等[2]則對(duì)定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)和襄陽(yáng)試驗(yàn)場(chǎng)的部分道路進(jìn)行了當(dāng)量分析。

通常試驗(yàn)規(guī)范的制訂和優(yōu)化要經(jīng)歷4個(gè)階段：（1）參照國(guó)外試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范是國(guó)內(nèi)整車企業(yè)初期采用的方式，但其與國(guó)內(nèi)實(shí)際道路及用戶工況的等效性上仍有一定差異。（2）隨著國(guó)內(nèi)整車試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)量的增多，部分企業(yè)提出從試驗(yàn)場(chǎng)A向試驗(yàn)場(chǎng)B遷移的需求，為保證A試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范和B試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范的一致性，開(kāi)展了試驗(yàn)場(chǎng)關(guān)聯(lián)工作。（3）由于原試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范通常是參照國(guó)外或國(guó)內(nèi)其它試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范制訂的，與國(guó)內(nèi)道路情況及用戶的習(xí)慣和分布并無(wú)關(guān)聯(lián)，目前部分企業(yè)已開(kāi)始開(kāi)展用戶關(guān)聯(lián)工作。（4）為提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，部分整車企業(yè)提出延長(zhǎng)整車質(zhì)保里程，如從3年10萬(wàn)km延長(zhǎng)至3年15萬(wàn)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(guó)內(nèi)某目標(biāo)試驗(yàn)場(chǎng)（A試驗(yàn)場(chǎng)）的已知路試規(guī)范為基礎(chǔ)，制定新試驗(yàn)（B試驗(yàn)場(chǎng)）下的等效路試規(guī)范，研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）制定兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)路試規(guī)范進(jìn)行分類，在A、B試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)路試規(guī)范。（4）最終將各等效通道的雨流統(tǒng)計(jì)頻次曲線與穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了B試驗(yàn)場(chǎng)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(shí)，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(tái)架試驗(yàn)和試驗(yàn)場(chǎng)等效分析工作，采集通道共設(shè)95個(gè)，主要包括以下信號(hào)類別：（1）外部激勵(lì)載荷-輪心六分力載荷。（2）懸架位移行程信號(hào)。（3）二力桿部件的拉壓力信號(hào)。（4）加速度信號(hào)。（5）應(yīng)變信號(hào)。（6）GPs及路面分割邏輯信號(hào)等。其中，二力桿件信號(hào)需要通過(guò)相應(yīng)的標(biāo)定，獲得標(biāo)定系數(shù)，從而將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為力信號(hào)，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(cè)試通道及相應(yīng)的標(biāo)定系數(shù)詳見(jiàn)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(hào)列表

A試驗(yàn)場(chǎng)的路試規(guī)范按區(qū)域劃分為三類：強(qiáng)化壞路、模擬山路和高環(huán)。其中，A試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)路試規(guī)范未知，在制定載荷譜采集方案時(shí)，需要綜合考慮A試驗(yàn)場(chǎng)中所包含的路面工況、操作規(guī)范（制動(dòng)、加速等），同時(shí)還要結(jié)合B試驗(yàn)場(chǎng)的布局及行駛規(guī)范，最終應(yīng)完成對(duì)B試驗(yàn)場(chǎng)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(gè)駕駛員，各采集3次。A、B試驗(yàn)場(chǎng)采集區(qū)域如圖2和圖3所示，主要包括強(qiáng)化壞路區(qū)域、制動(dòng)區(qū)域、坡道區(qū)域和高環(huán)區(qū)域。

圖2 A試驗(yàn)場(chǎng)采集區(qū)域

圖3 B試驗(yàn)場(chǎng)采集區(qū)域

1.2 載荷譜處理

由于試驗(yàn)場(chǎng)中涉及到大量的過(guò)渡路段，其對(duì)疲勞損傷影響很小，所以通過(guò)對(duì)不同路面進(jìn)行分割用于去除過(guò)渡路段，同時(shí)也對(duì)不同路面的載荷譜數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)。此外，信號(hào)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(yàn)場(chǎng)載荷譜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：（1）強(qiáng)化壞路區(qū)域中包括8個(gè)工況。（2）模擬山路區(qū)域包括4個(gè)制動(dòng)工況和4個(gè)坡道工況。（3）高環(huán)工況。B試驗(yàn)場(chǎng)載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如下：（1）強(qiáng)化壞路區(qū)域中包括27個(gè)工況。（2）模擬山路中包括4個(gè)制動(dòng)工況和8個(gè)坡道工況。（3）高環(huán)工況。由于兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的制動(dòng)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(duì)車輛結(jié)構(gòu)的損傷主要來(lái)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(duì)其進(jìn)行等效分析。

對(duì)分割處理后的各工況數(shù)據(jù)的有效樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，大部分工況的有效樣本量為9個(gè)。由于車輛結(jié)構(gòu)部件的疲勞損傷來(lái)源于外部激勵(lì)載荷，所以計(jì)算各樣本六分力信號(hào)的偽損傷，結(jié)合參考文獻(xiàn)[3] 和文獻(xiàn)[4]中的方法計(jì)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(gè)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(yàn)場(chǎng)載荷譜等效分析原則

2.1 等效通道的確定

試驗(yàn)場(chǎng)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(duì)比評(píng)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(hào)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的主次關(guān)系，例如：外部激勵(lì)通道信號(hào)重要程度大于車輛內(nèi)部通道信號(hào)；力通道信號(hào)重要程度大于加速度通道信號(hào)；全局通道信號(hào)（懸架行程信號(hào)決定了相應(yīng)的車身姿態(tài)）重要程度大于局部通道信號(hào)（局部應(yīng)變信號(hào)）。根據(jù)以上原則，為滿足對(duì)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(gè)，詳細(xì)通道說(shuō)明如下：（1）24個(gè)外部激勵(lì)載荷-輪心六分力載荷。（2）4個(gè)懸架位移行程信號(hào)。（3）8個(gè)懸架系統(tǒng)二力桿部件的拉壓力信號(hào)。（4）2個(gè)穩(wěn)定桿轉(zhuǎn)矩信號(hào)。（5）12個(gè)輪心加速度信號(hào)（x、y、z三個(gè)方向加速度）。（6）4個(gè)車身塔頂加速度信號(hào)（z向加速度）。（7）1個(gè)車身上應(yīng)變信號(hào)。

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(diǎn)的廣義應(yīng)力，通過(guò)S-N曲線，即可求得廣義損傷或稱偽損傷。試驗(yàn)場(chǎng)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(shí)損傷是否也等效，其影響參數(shù)主要取決于用于計(jì)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(duì)車輛結(jié)構(gòu)所造成的真實(shí)損傷也一致，計(jì)算偽損傷的S-N斜率需滿足以下規(guī)律[5]。

將兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的所有采集工況進(jìn)行單次組合，然后對(duì)等效的55個(gè)通道的隨機(jī)譜進(jìn)行雨流計(jì)數(shù)，確定在雙對(duì)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(duì)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合?？紤]到高幅值對(duì)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(jì)算偽損傷的S-N曲線斜率，確保了偽損傷比與真實(shí)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(shí)，S-N曲線的截距S0需大于等于雨流計(jì)數(shù)中的最大幅值，該項(xiàng)目中截距S0統(tǒng)一選取為雨流統(tǒng)計(jì)中最大幅值的10倍，按以上規(guī)律確定的55個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的S-N曲線參數(shù)見(jiàn)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(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)等效分析的評(píng)價(jià)主要依靠所選等效通道間的偽損傷比值來(lái)進(jìn)行，評(píng)價(jià)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(jì)頻次曲線、穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線的對(duì)比間接地體現(xiàn)等效分析的可靠性，但并沒(méi)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(yàn)場(chǎng)等效分析時(shí)，由于公路路面的載荷譜幅值完全不可能達(dá)到試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜的幅值范圍，所以等效通道間的雨流曲線、穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線對(duì)比會(huì)存在較大的差異，也沒(méi)有更大的參考價(jià)值。

對(duì)于等效通道的偽損傷比，雖然是一個(gè)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(yàn)場(chǎng)規(guī)范時(shí)，要考慮試驗(yàn)場(chǎng)各路面的具體布局、試驗(yàn)場(chǎng)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(píng)價(jià)指標(biāo)并沒(méi)有一個(gè)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(lì)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(duì)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(gè)別通道的偽損傷比值會(huì)較大。

3 兩試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜等效分析

根據(jù)前文對(duì)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(qiáng)化壞路工況。針對(duì)模擬山路和高環(huán)工況，由于兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)的路面構(gòu)造一致，所以在B試驗(yàn)場(chǎng)中直接沿用A試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范，不再做相應(yīng)的等效分析。針對(duì)強(qiáng)化壞路工況的等效分析詳見(jiàn)下文。

基于A試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化壞路規(guī)范，利用上文所確定的S-N曲線，計(jì)算出55個(gè)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(jiàn)式（1）。計(jì)算出B試驗(yàn)場(chǎng)中27個(gè)強(qiáng)化壞路工況在單次循環(huán)下的55個(gè)等效通道偽損傷，可形成一個(gè)55×27的單次循環(huán)偽損傷矩陣D，詳見(jiàn)式（2）。則兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化環(huán)路上的等效工作，即是對(duì)B試驗(yàn)場(chǎng)中27個(gè)強(qiáng)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(duì)應(yīng)的解為一個(gè)27×1的矩陣O，詳見(jiàn)式（3），最終形成的矩陣方程詳見(jiàn)式（4）。

結(jié)合B試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化壞路區(qū)域中27個(gè)工況的布局和單次循環(huán)里程，將B試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)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(duì)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(píng)價(jià)指標(biāo)。將優(yōu)化結(jié)果與實(shí)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(jiàn)表3，將表中各等效通道進(jìn)行分類對(duì)比分析如下：（1）1～12通道為外界對(duì)車輛的主要力載荷，也是對(duì)車輛部件造成疲勞損傷的主要來(lái)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(duì)車輛的主要力矩載荷，雖然耐久強(qiáng)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(dòng)），從而導(dǎo)致了前輪驅(qū)動(dòng)力矩（通道17和18）的偽損傷值對(duì)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(dòng)工況下傳動(dòng)部件與轉(zhuǎn)向節(jié)之間存在旋轉(zhuǎn)自由度，驅(qū)動(dòng)力矩不會(huì)對(duì)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(dòng)力矩。在制動(dòng)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(dòng)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(shuō)明在驅(qū)動(dòng)工況下造成的前輪y向力矩的差異不會(huì)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(hào)，它是反映車身運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的全局信號(hào)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(shí)際受力角度出發(fā)，驗(yàn)證了兩個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化路面工況所對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)見(jiàn)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(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化區(qū)域路試規(guī)范的大循環(huán)次數(shù)，每個(gè)小循環(huán)里再按各工況對(duì)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(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化區(qū)域的可行性路試規(guī)范。結(jié)合B試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化區(qū)域的連接路面里程，推算出等效的強(qiáng)化路試規(guī)范總里程約5 300 km。

表4 B試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化區(qū)域等效優(yōu)化循環(huán)次數(shù)

由于篇幅限制，本研究?jī)H對(duì)等效后的左前輪輪心力通道載荷譜進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)頻次曲線和穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線的對(duì)比分析，如圖5～10所示。由圖可知：（1）在雨流統(tǒng)計(jì)頻次曲線對(duì)比中，各通道載荷幅值范圍基本一致，且各幅值范圍對(duì)應(yīng)的頻次也基本一致。（2）在穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線對(duì)比中，各通道平衡點(diǎn)附近的穿級(jí)次數(shù)，B試驗(yàn)場(chǎng)明顯高于A試驗(yàn)場(chǎng)，這主要是由B試驗(yàn)場(chǎng)中加入的小載荷路面引起（如淺灘、長(zhǎng)波、碎石、砂石等路面）的，但各通道在平衡點(diǎn)以外，大幅值穿級(jí)區(qū)域穿級(jí)次數(shù)都基本一致。

圖5 左前輪心x向力雨流統(tǒng)計(jì)頻次曲線對(duì)比

圖6 左前輪心x向力穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線對(duì)比

圖7 左前輪心y向力雨流統(tǒng)計(jì)頻次曲線對(duì)比

圖8 左前輪心y向力穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線對(duì)比

圖9 左前輪心z向力雨流統(tǒng)計(jì)頻次曲線對(duì)比

圖10 左前輪心z向力穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線對(duì)比

4 結(jié)論

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)汽車試驗(yàn)場(chǎng)也不斷增加，雖然各試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)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(yàn)場(chǎng)路試規(guī)范從一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)時(shí)，就有必要對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)之間進(jìn)行相應(yīng)的等效分析。

本研究以A試驗(yàn)場(chǎng)已知路試規(guī)范為基礎(chǔ)，利用某sUV車型進(jìn)行A、B試驗(yàn)場(chǎng)的載荷譜采集，同時(shí)對(duì)載荷譜進(jìn)行分析和分類。針對(duì)模擬山路和高環(huán)工況，由于兩試驗(yàn)場(chǎng)路面構(gòu)造一致，所以在B試驗(yàn)場(chǎng)中直接沿用A試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范，不再做相應(yīng)的等效分析。針對(duì)強(qiáng)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(yàn)場(chǎng)的等效優(yōu)化，并制定B試驗(yàn)場(chǎng)路試規(guī)范，最終通過(guò)對(duì)等效通道的偽損傷對(duì)比，以及雨流統(tǒng)計(jì)頻次曲線和穿級(jí)計(jì)數(shù)曲線的對(duì)比，驗(yàn)證了等效分析的有效性。