基于頻域加速的冷卻模塊振動(dòng)試驗(yàn)研究

俞曉輝，韓偉，溫奇?zhèn)?/p>

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部,上海 201804)

基于頻域加速的冷卻模塊振動(dòng)試驗(yàn)研究

俞曉輝，韓偉，溫奇?zhèn)?/p>

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部,上海 201804)

介紹了如何將時(shí)域加速度信號轉(zhuǎn)換成沖擊響應(yīng)譜(SRS)和疲勞損傷譜(FDS)以及沖擊響應(yīng)譜和疲勞損傷譜的應(yīng)用。以某車型的冷卻模塊為研究對象，提出了通過采集冷卻模塊的路譜加速度時(shí)域信號轉(zhuǎn)化成PSD控制臺(tái)架振動(dòng)耐久試驗(yàn)的方法。在失效模式和疲勞損傷等效的前提下，實(shí)現(xiàn)了試車場耐久規(guī)范與臺(tái)架耐久規(guī)范的等效關(guān)聯(lián)，且大大縮短了冷卻模塊臺(tái)架試驗(yàn)的時(shí)間，解決了冷卻模塊的臺(tái)架驗(yàn)證難題。

冷卻模塊；功率譜密度；沖擊響應(yīng)譜；疲勞損傷譜；極限響應(yīng)譜

0 前言

隨著近幾年國內(nèi)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，整車廠面臨的競爭將會(huì)越來越激烈。如何更快地推出新產(chǎn)品，縮短試驗(yàn)開發(fā)周期起著越來越重要的作用，已經(jīng)成為贏得市場的關(guān)鍵因素之一。對于汽車零部件，一般需要經(jīng)過臺(tái)架耐久試驗(yàn)的驗(yàn)證，而臺(tái)架耐久試驗(yàn)強(qiáng)度一般要與試驗(yàn)場耐久試驗(yàn)強(qiáng)度保持一致或者更高。文中通過采集某車型汽車?yán)鋮s模塊的試驗(yàn)場振動(dòng)加速度路譜，提出了一種基于頻域加速理論的關(guān)聯(lián)方法，解決了如何在試驗(yàn)場與臺(tái)架耐久試驗(yàn)損傷強(qiáng)度等效的情況下大大加速臺(tái)架試驗(yàn)的難題。

1 冷卻模塊

汽車的冷卻模塊主要功能就是將熱量散發(fā)到空氣中以防止發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，也要使發(fā)動(dòng)機(jī)盡快升溫，并使其保持恒溫。主要包括散熱器、冷凝器、風(fēng)扇等，如圖1所示。

冷卻模塊在汽車的使用過程中會(huì)承受來自發(fā)動(dòng)機(jī)自身的振動(dòng)、路面?zhèn)鬟f的振動(dòng)和高溫環(huán)境，使用狀態(tài)比較惡劣，對耐久性設(shè)計(jì)要求比較高。為了提高產(chǎn)品的耐久性、縮短產(chǎn)品開發(fā)的周期和降低成本，需要進(jìn)行臺(tái)架加速試驗(yàn)認(rèn)證。工程上傳統(tǒng)的耐久加速試驗(yàn)方法是將時(shí)域路譜加以區(qū)分，刪除小損傷路譜，強(qiáng)化大損傷路譜以達(dá)到時(shí)間加速的目的，但是此方法一般無法用于加速度振動(dòng)的臺(tái)架試驗(yàn)。對于加速度振動(dòng)臺(tái)架，一般的試驗(yàn)方法為依據(jù)某個(gè)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，采用確定的連續(xù)掃頻信號進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。但是這種方法比較保守，考核較嚴(yán)酷，無法等效試驗(yàn)場耐久試驗(yàn)強(qiáng)度。如果可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)架加速耐久試驗(yàn)損傷強(qiáng)度與試驗(yàn)場耐久試驗(yàn)損傷強(qiáng)度的準(zhǔn)確關(guān)聯(lián)，就能夠精確合理地評估冷卻模塊的耐久性能。主要針對某車型的冷卻模塊進(jìn)行試車場的加速度信號采樣，利用頻域疲勞損傷等效原則，最終合成加速度功率譜密度(PSD)，在臺(tái)架上進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。

2 沖擊響應(yīng)譜(SRS)

沖擊響應(yīng)譜是一系列固有頻率不同的單自由度線性系統(tǒng)受同一沖擊激勵(lì)響應(yīng)的總結(jié)果。零件受沖擊作用，其沖擊響應(yīng)的最大值意味著零件出現(xiàn)最大應(yīng)力，即試驗(yàn)樣品有最大的變形。因此，沖擊響應(yīng)的最大加速度與零件受沖擊作用造成的損傷及故障產(chǎn)生的原因直接相關(guān)，由此引出了最大沖擊響應(yīng)譜。要獲取沖擊響應(yīng)譜，首先要采集環(huán)境沖擊的時(shí)域信號，然后再通過軟件進(jìn)行分析，獲取沖擊響應(yīng)譜。圖2是一個(gè)單自由度系統(tǒng)(SDOF)的模型。加速度激勵(lì)信號通過這一單自由度系統(tǒng)計(jì)算得到最大響應(yīng)，并在不同固有頻率的單自由度系統(tǒng)下重復(fù)計(jì)算得到一系列最大響應(yīng)譜。這個(gè)用SDOF 系統(tǒng)計(jì)算的最大響應(yīng)的方法稱為“沖擊響應(yīng)譜”(SRS)。

SRS可以作為規(guī)定沖擊環(huán)境的方法之一，因此，沖擊譜是對設(shè)備實(shí)施抗沖擊設(shè)計(jì)的分析基礎(chǔ)，也是控制產(chǎn)品沖擊環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)的基本參數(shù)。利用SDOF系統(tǒng)計(jì)算沖擊響應(yīng)譜的過程如圖3所示。

輸入的加速度信號經(jīng)過SDOF系統(tǒng)固有頻率過濾后，得到最大響應(yīng)位移(也可以是最大響應(yīng)加速度，為便于理解，這里采用最大響應(yīng)位移)。這樣經(jīng)過不同固有頻率的SDOF系統(tǒng)得到每個(gè)頻率的最大響應(yīng)位移，沖擊響應(yīng)譜即為頻率與最大響應(yīng)位移的曲線?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展使得計(jì)算沖擊響應(yīng)譜變得非常快速準(zhǔn)確。

3 極限響應(yīng)譜(ERS)

至此可以從一段時(shí)域加速度信號獲得沖擊損傷譜，但對于一個(gè)隨機(jī)振動(dòng)的數(shù)據(jù)一般更適合于用功率譜密度(PSD)來表示。Lalanne給出了用于計(jì)算PSD極限響應(yīng)譜(ERS)的公式(1)。極限響應(yīng)譜(ERS)表示持續(xù)時(shí)間為t的隨機(jī)PSD通過SDOF系統(tǒng)所得到的最大概率的極限幅值所形成的譜圖。

(1)

極限響應(yīng)譜(ERS)與沖擊響應(yīng)譜(SRS)是非常相似的兩種響應(yīng)譜，它們提供的頻域信息是一致的。通常SRS用于描述極具破壞力的瞬態(tài)沖擊的最大響應(yīng)，ERS用于描述更多典型的振動(dòng)載荷的期望響應(yīng)。

4 疲勞損傷譜

工程中的耐久加速試驗(yàn)都是基于損傷等效原則，需要對采集的加速度信號進(jìn)行疲勞損傷的計(jì)算，即疲勞損傷譜(FDS)，然后疊加各個(gè)疲勞損傷譜。Lalanne給出了用于計(jì)算疲勞損傷譜的計(jì)算公式。這使得頻域加速理論在臺(tái)架試驗(yàn)應(yīng)用成為可能。 計(jì)算公式如下所示：

德國哲學(xué)家康德在1781年首次提出了圖式的概念。1932年英國心理學(xué)家巴特利特提出“圖式”在心理學(xué)中的定義。隨后，教育家皮亞杰，魯姆哈特，Carrell，Nunan等人的研究奠定了圖式理論的理論基礎(chǔ)。這些理論基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于后來的研究中。

(2)

計(jì)算疲勞損傷譜的過程與計(jì)算沖擊響應(yīng)譜的過程相似：計(jì)算每個(gè)固有頻率的疲勞損傷值，然后重復(fù)不同頻率的計(jì)算得到疲勞損傷值，最后繪制出疲勞損傷-頻率曲線圖，即為FDS。

5 臺(tái)架試驗(yàn)合成隨機(jī)振動(dòng)PSD

式中： ∑FDS(fn) 為總損傷，k為安全因子。利用上述公式就可得到試驗(yàn)時(shí)間為teq的合成加速度PSD譜圖。為避免過度加速導(dǎo)致疲勞失效不同，需要進(jìn)行合成PSD的ERS與各個(gè)工況的ERS或SRS的比較。為了確保臺(tái)架試驗(yàn)可以包含所有可能的最大極限值，合成PSD的ERS應(yīng)該大于各個(gè)工況的最大包絡(luò)ERS；同時(shí)為了減小在過嚴(yán)酷的載荷工況下失效的風(fēng)險(xiǎn)，合成PSD的ERS應(yīng)該小于各個(gè)工況的最大包絡(luò)SRS，如果合成PSD的ERS大于各個(gè)工況的最大包絡(luò)SRS，表明試驗(yàn)加速過快，導(dǎo)致出現(xiàn)過載的情況。

但是一般情況下不太可能每個(gè)點(diǎn)都能同時(shí)滿足上述兩個(gè)要求，所以工程上一般考慮ERS、SRS的平均值只要滿足上述要求即認(rèn)為是可以接受的。

6 冷卻模塊加速試驗(yàn)

可以運(yùn)用上述沖擊響應(yīng)譜、極限響應(yīng)譜和疲勞響應(yīng)譜的概念對新開發(fā)的冷卻模塊進(jìn)行臺(tái)架加速耐久疲勞驗(yàn)證，通過采集試車場各個(gè)工況的冷卻模塊的加速度信號，計(jì)算得到合成的臺(tái)架試驗(yàn)PSD譜圖，實(shí)現(xiàn)試車場與臺(tái)架關(guān)聯(lián)的同時(shí)，加速臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間。圖4為應(yīng)用頻域加速理論計(jì)算合成PSD譜圖的流程介紹。

7 加速度數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)處理和計(jì)算的過程步驟如下：

第一步，將采集到的原始加速度數(shù)據(jù)信號進(jìn)行預(yù)處理、去毛刺、去零漂等處理。

第二步，計(jì)算每個(gè)工況的沖擊響應(yīng)譜(SRS)和極限響應(yīng)譜(ERS)，并得到各自的疲勞損傷譜(FDS)。

第三步，統(tǒng)計(jì)每個(gè)工況的循環(huán)次數(shù)和循環(huán)時(shí)間，用于計(jì)算疊加各工況的疲勞損傷，得到總疲勞損傷譜。另外可以分別計(jì)算各工況沖擊響應(yīng)譜(SRS)包絡(luò)線和(ERS)包絡(luò)線，用于驗(yàn)證合成PSD的加速程度是否合適。

第四步，利用得到的總疲勞損傷譜轉(zhuǎn)化為加速臺(tái)架試驗(yàn)的合成PSD譜，試車場試驗(yàn)時(shí)間大約為250 h，轉(zhuǎn)化為臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)間為50 h，時(shí)間上加速了5倍，但損傷并沒有增加，這是作者所需要得到的結(jié)果。圖8為臺(tái)架試驗(yàn)合成PSD譜的對比，加速時(shí)間為50 h和250 h(即試驗(yàn)不加速)。

第五步，檢驗(yàn)臺(tái)架加速后的合成PSD，利用第三步計(jì)算得到的各工況的沖擊響應(yīng)譜的包絡(luò)線和極限響應(yīng)譜的包絡(luò)線進(jìn)行驗(yàn)證。判斷合成的PSD是否加速得當(dāng)或者加速過度以至于引起過大的載荷。圖9、圖10為合成PSD計(jì)算的極限響應(yīng)譜(ERS)分別與沖擊響應(yīng)譜和極限響應(yīng)譜的對比。可以看出：合成的PSD的極限響應(yīng)譜大于各工況的極限響應(yīng)譜的包絡(luò)線且小于各工況的沖擊響應(yīng)譜的包絡(luò)線，由此可認(rèn)為頻域加速比較合理，臺(tái)架可以使用此合成的PSD譜進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)加速試驗(yàn)。

基于上面所得到的Z向合成的PSD譜圖進(jìn)行冷卻模塊的臺(tái)架試驗(yàn)，輸入此PSD譜圖，試驗(yàn)時(shí)間為50 h，測試?yán)鋮s模塊的耐久性。需要注意的是:冷卻模塊在臺(tái)架上的固定方式必須與在整車上的固定方式一致，且控制臺(tái)架的加速度位置也必須與整車采集時(shí)一致。另外為精確模擬整車上冷卻模塊的使用情況，可以在臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)注入一定壓力的熱水，散熱器中需要注入0.2 MPa的水量，冷凝器中需要注入1.725 MPa的水量。冷卻模塊試驗(yàn)臺(tái)架如圖11所示。

試驗(yàn)結(jié)果顯示冷卻模塊Z向隨機(jī)振動(dòng)沒有出現(xiàn)任何疲勞失效，在其他方向上也沒有出現(xiàn)問題。試車場耐久試驗(yàn)顯示冷卻模塊并無失效或者斷裂的情況發(fā)生，所以可以認(rèn)為此合成的加速PSD譜圖可以替代試車場耐久試驗(yàn)。

8 結(jié)論

通過對冷卻模塊進(jìn)行試車場工況的加速度信號采集，轉(zhuǎn)化為臺(tái)架振動(dòng)試驗(yàn)所需要的PSD譜圖輸入且損傷等效的前提下，時(shí)間上加速了數(shù)倍，達(dá)到了臺(tái)架與試車場的等效關(guān)聯(lián)，并大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間，也縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約了試驗(yàn)成本。

建議對道路采集時(shí)域信號進(jìn)行更加合理的修改，以進(jìn)一步提高頻域加速試驗(yàn)精度，同時(shí)要注意試驗(yàn)臺(tái)架夾具的設(shè)計(jì)，從而可以使臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果更加可靠。

考慮到安全余量，工程上一般建議臺(tái)架總損傷大于試車場總損傷的3～5倍，可以把疊加的各工況的總損傷再增加3～5倍進(jìn)行合成PSD譜圖的計(jì)算，文中就不一一列舉說明了。

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ResearchonTestofCoolingModuleBasedonFrequencyAccelerationTheory

YU Xiaohui, HAN Wei, WEN Qiwei

(SAIC MOTOR Test Validation Department, Shanghai 201804,China)

How to convert the acceleration time-domain signal to shock response spectrum (SRS) and fatigue damage spectrum (FDS) were described as well as their application. Taking a vehicle cooling module as the research object, a new vibration rig test method was presented by which the acceleration time-domain signal of cooling module was converted to power spectrum density (PSD). On the premise of equivalent fatigue damage and fatigue mode, the equivalent correlation between the proving ground durability test and the rig durability test can be realized. Besides, the rig test time of cooling module is greatly shortened,so the problem of rig test validation can be solved.

Cooling module; Power spectrum density(PSD); Shock response spectrum(SRS); Fatigue damage spectrum(FDS); Extreme response spectrum(ERS)

2015-02-11

俞曉輝，男，工程碩士，工程師，研究方向?yàn)槠囋囼?yàn)。E-mail:273825908@qq.com。