基于用戶道路載荷譜采集的試驗場關(guān)聯(lián)研究

陳傳欽，陳春燕，鐘志宏，周德泉

(廣汽集團汽車工程研究院，廣東 廣州 511434)

1 引 言

汽車等工程產(chǎn)品的開發(fā)，應以市場為導向，既滿足大多數(shù)用戶的使用需求，也應考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟性及競爭性。目前，國內(nèi)各汽車廠家在零部件的開發(fā)過程中，多采用強度設(shè)計而非壽命設(shè)計，即保證在最差工況下車輛構(gòu)件不發(fā)生斷裂，且能滿足一般的工程要求。這種方式容易忽略用戶的實際使用情況，造成產(chǎn)品的“過度”或“不足”設(shè)計[1]。因此，在整車開發(fā)過程中，加入了車輛道路可靠性試驗，用于考核和驗證汽車的使用壽命。完成這樣的試驗需要耗費巨大的人力和物力，同時也拉長了車輛的研發(fā)周期。為降低研發(fā)成本及節(jié)省研發(fā)時間，目前大多數(shù)廠家采用道路試驗與試驗場試驗并行的措施。這就需要將用戶道路對車輛造成的損傷等效地轉(zhuǎn)移到試驗場內(nèi)，實現(xiàn)用戶道路與試驗場的關(guān)聯(lián)[2]。

目前，國內(nèi)汽車公司在試驗場轉(zhuǎn)場方面的研究相對比較滯后，現(xiàn)有的可靠性試驗規(guī)范大都沿用國外某知名公司，或通過試驗場之間的轉(zhuǎn)場獲得，很少有真正調(diào)查用戶使用情況及用戶路面采集方面的數(shù)據(jù)。

本文針對上述問題，系統(tǒng)地介紹了一種用戶路面與汽車試驗場關(guān)聯(lián)的分析方法，通過對用戶使用習慣的統(tǒng)計、載荷譜的采集以及相關(guān)的關(guān)聯(lián)分析，制定出符合用戶實際使用情況的試驗場可靠性試驗規(guī)范。

2 關(guān)聯(lián)參數(shù)選取

業(yè)界大多依靠軸頭加速度及懸架應變來進行試驗場關(guān)聯(lián)等相關(guān)研究。而引起零部件疲勞損傷的最直接因素是力(應變)與位移，與加速度之間不存在必然的關(guān)系[3]。

從理論上講，加速度經(jīng)過濾波及二次積分可獲得相對位移。然而在實際應用中，只有在某種特定的工況下(如共振路或凸塊路)，才能得到相位一致且幅值較接近的數(shù)值，而多數(shù)工況下與實際位移有較大的差別，尤其在低頻大幅值或?qū)掝l的工況下，經(jīng)常出現(xiàn)相位與幅值完全對應不上的情況。圖1所示為石塊路上的載荷譜，加速度積分與位移傳感器測量值存在明顯的差異，且誤差隨車速增加而變大。

圖1 石塊路載荷譜對比

目前較普遍且合理的做法是在懸架上布置應變片，通過采集相應零部件的載荷來實現(xiàn)關(guān)聯(lián)分析。這種方法適用于單個零件的疲勞分析，反推到整車級別上存在較大的誤差。在硬件條件受限的情況下，通過此方法可獲得相對可靠但精度受限的關(guān)聯(lián)結(jié)果。因為在測試懸架應變的時候，或多或少都有耦合力的存在。在進行關(guān)聯(lián)研究時，很難準確地比對某個方向的關(guān)聯(lián)性。如再用懸架應變反算輪心載荷，加上車輛模型準確性的影響，往往不能獲取準確的數(shù)值。曾經(jīng)有幸參與國際某知名工程服務公司進行相關(guān)方面的合作，對方解算的車輪六分力載荷，因誤差過大最終無法應用于懸架系統(tǒng)的臺架試驗。

3 載荷譜采集與預處理

通過在某車型上搭載車輪六分力傳感器，同時增加GPS信號、軸頭加速度、懸架位移、懸架及車身應變作為參考信號，采集用戶道路及汽車試驗場各工況的載荷譜。

因試驗場數(shù)據(jù)的一致性較好，一般同種工況采集3～5組數(shù)據(jù)即可。用戶路面的采集需涵蓋高速公路、城市道路、一般公路、鄉(xiāng)村路及壞路等路況，還要保證采集的里程滿足一定的要求。把采集的數(shù)據(jù)不分路況按每組50km進行截取，共分得32組數(shù)據(jù)。當損傷比值穩(wěn)定在1附近時，則認為用戶道路的數(shù)據(jù)采集長度滿足要求。

本文建議的最小分割里程為50km，原因在于：更短里程的分割，其信號的損傷矩陣不足以充分定義和描述路面類型。如圖2所示，50km的損傷矩陣呈L形，是較為理想的數(shù)據(jù)；而小于50km的損傷直方圖(如15km、30km等)，并不能很好地表征路面的損傷模型。

圖2 50km損傷直方圖

試驗場數(shù)據(jù)的選取方式可參考中值損傷等理論，每個工況選取一組用于關(guān)聯(lián)分析。

用戶路面數(shù)據(jù)的處理要復雜得多，如異常極值的處理需要借助數(shù)學統(tǒng)計等方式，如圖3所示，運用極值分布尋找異常值，并將個別極大值替換成正常的幅值。數(shù)據(jù)的截取與組合也要視不同情況而定，如采集的區(qū)域分布比較廣泛，同種類型的路況差異較大，可根據(jù)頻響函數(shù)和車輪軸頭垂向加速度響應求得路面不平度功率譜，將用戶路面進行等級劃分[6，7]，這種方法獲得的數(shù)據(jù)是最準確的，同時也是成本最高且設(shè)備風險最大的。另一種做法是以某個具有代表性的城市為中心，向外輻射周邊區(qū)域，因數(shù)據(jù)特征比較明顯，可截取成不同類型的路況，再按照用戶實際的使用比例進行組合，通過線性外推獲取相應里程的損傷，這種做法需要驗證采集區(qū)域的合理性。因國內(nèi)公路里程及密度變化較快，路面組合比例需要不斷更新，每隔一段時間就應調(diào)查用戶的實際使用情況。通過問卷調(diào)查及與相關(guān)汽車公司對標的結(jié)果，確定路面類型比例為，高速路∶城市路∶一般路∶山路∶壞路=30%∶30%∶29%∶10%∶1%。

圖3 異常極值剔除

4 載荷譜關(guān)聯(lián)分析

關(guān)聯(lián)分析的目的是計算試驗場道路和用戶路面的當量關(guān)系。對于整車級別的分析，大多采用損傷關(guān)聯(lián)法，即：在保證兩者損傷一致的前提下，盡量使雨流分布也一致。對于零部件級別的分析，一般采用雨流關(guān)聯(lián)法，即：在保證二者的雨流分布一致的前提下，盡量使損傷也一致。本文采用損傷關(guān)聯(lián)法進行研究。

4.1 疲勞理論基礎(chǔ)

疲勞是指材料在循環(huán)(交變)載荷作用下，因累積損傷而引起低應力破壞的現(xiàn)象；疲勞壽命則為對應的循環(huán)應力的次數(shù)。汽車在行駛過程中，各結(jié)構(gòu)件受到隨時間變化的隨機載荷作用而產(chǎn)生動態(tài)循環(huán)應力，在高應力區(qū)會引發(fā)疲勞損傷，根據(jù)Miner線性累積損傷理論[8]：

首先可以大力開展全域旅游群眾性宣傳活動，形成濃厚的創(chuàng)建氛圍，讓全域旅游創(chuàng)建工作深入人心；其次可將旅游服務設(shè)施、各類旅游產(chǎn)品依托全媒體網(wǎng)絡營銷，實現(xiàn)精準營銷，以達到實時、高效、便捷的營銷效果；最后注重節(jié)慶營銷，積極開展旅游節(jié)慶和各類營銷活動，做到全年、全民、全季節(jié)辦會、辦活動，實現(xiàn)四季有品牌，每月有主題，經(jīng)常有活動。

(1)

式中，D為疲勞累積損傷，K為載荷等級，ni為第f級載荷下實際載荷循環(huán)次數(shù)，(Nf)i為第f級載荷下疲勞壽命。

在實際應用中，因無法準確獲取零部件的S/N曲線來計算實際的疲勞壽命，故引進相對損傷的概念。研究表明，兩組載荷譜相對損傷的比值與S/N曲線的截距無關(guān)，僅與斜率有一定的關(guān)系。在使用相對損傷來進行對比時，應選取與實際零件材料S/N曲線相近的斜率，一般汽車底盤件的斜率取值為-3～-5。對于本研究的車型，經(jīng)查閱相關(guān)資料，斜率取值-5。

4.2 基于疲勞理論及Excel規(guī)劃求解的關(guān)聯(lián)分析

關(guān)聯(lián)分析的邏輯方法為：通過改進試驗場各種路面的組合關(guān)系，使試驗場道路與用戶路面所引起的名義損傷一致；同時，盡量使兩者所引起的載荷譜在雨流計數(shù)方面具有相似的統(tǒng)計規(guī)律[9]，其數(shù)學表達式為：

(2)

式中：i為關(guān)聯(lián)參數(shù)的通道數(shù)，Aj為試驗場路面的比例系數(shù)；[Xij]為各種試驗路面載荷分布矩陣；[Yi]為用戶道路上的載荷分布矩陣。

式(2)可通過最小二乘法來擬合，同時，可在對數(shù)坐標下進行求解。將上述方程求解轉(zhuǎn)為式(3)帶約束條件的最小值問題[10]，最后利用Excel規(guī)劃求解進行解算。

(3)

上述方法主要通過關(guān)聯(lián)各通道總損傷獲取比例系數(shù)，能快速計算出一個較合適的關(guān)聯(lián)系數(shù)。這種方法的不足在于忽略了信號的頻率信息，只針對信號的總損傷進行關(guān)聯(lián)分析，這可能導致個別通道在細分頻段的損傷存在較大的差異，從而引起車輛的運動模式失真，這種情況在關(guān)聯(lián)計算中經(jīng)常出現(xiàn)。因此，此方法在業(yè)界存在一定的爭議。

本文對上述方法進行改進，結(jié)合Excel規(guī)劃求解，通過分頻段計算損傷的方式，確保在關(guān)聯(lián)過程中各個頻段內(nèi)的損傷值都在可控的范圍內(nèi)，從而確保車輛的運動模式與實際接近。主要操作思路為，根據(jù)車輛的響應特性，將信號分解成4個頻段進行關(guān)聯(lián)計算，分別為：0～0.6Hz(車輛駕駛操縱響應頻段)、0.6～8Hz(車身跳動響應頻段)、8～20Hz(車輪跳動響應頻段)、20～50Hz(路面的特定激勵頻段)。因50Hz以上信號占比小，關(guān)聯(lián)研究時可以舍棄。根據(jù)上述思路，將式(2)分解成：

(4)

分頻段進行關(guān)聯(lián)計算時，矩陣運算被放大了好幾倍，難以確保每個通道每個頻段的關(guān)聯(lián)結(jié)果都滿足要求，因為過多的約束有可能導致方程無解。這時需要對各通道主要頻段的關(guān)聯(lián)系數(shù)進行約束，使得總體損傷滿足要求的同時，各主要頻段內(nèi)的損傷也能滿足要求(這里取各通道損傷值最大的2～3個頻段作為主要分析頻段，要求所取頻段損傷值大于其他頻段最少一個數(shù)量級)；同時，應增加約束條件，確保各頻段相同通道的關(guān)聯(lián)系數(shù)一致，即各頻段的Aj值一致；通過Excel規(guī)劃求解，獲取最優(yōu)的關(guān)聯(lián)系數(shù)。這種方法與傳統(tǒng)的優(yōu)化關(guān)聯(lián)軟件對比，其優(yōu)點在于：

(1)實現(xiàn)對各通道的分頻段損傷關(guān)聯(lián)，優(yōu)于個別軟件只能進行總損傷關(guān)聯(lián)；

(2)利用Excel規(guī)劃求解，使各參數(shù)設(shè)置更加靈活，且設(shè)置空間更大；

(3)關(guān)聯(lián)過程人為控制因素較多，使得計算結(jié)果能朝預期方向無限逼近；

(4)能實時反饋各頻段的關(guān)聯(lián)結(jié)果，便于查看數(shù)據(jù)。

將汽車試驗場24種工況與用戶道路進行關(guān)聯(lián)，考慮試驗場實際情況，同區(qū)域的工況取相等或有一定倍數(shù)的循環(huán)次數(shù)，試驗場關(guān)聯(lián)結(jié)果如表1所示。最后通過優(yōu)化行車路線，即可制定出符合用戶實際使用情況的試驗場可靠性試驗規(guī)范。

表1 試驗場關(guān)聯(lián)結(jié)果

垂向力各主要頻段及總損傷比(試驗場/用戶道路)如圖4所示，主頻段損傷及總損傷比值均在1附近，載荷分布如圖5所示，兩曲線吻合度較好。

圖4 分頻段損傷關(guān)聯(lián)

圖5 載荷分布對比

各主要通道總損傷比(試驗場道路/用戶道路)如表2所示。

表2 各通道損傷比

各主要通道損傷比介于0.78～1.72之間，且大部分位于1附近，損傷均值為1.15；各通道的主要頻段損傷比也能滿足要求；載荷分布形態(tài)接近；另對比其他參考通道，大部分損傷比位于0.3～3之間，關(guān)聯(lián)效果較理想。

5 總 結(jié)

本文研究了用戶道路與汽車試驗場的關(guān)聯(lián)分析方法，通過前期的用戶調(diào)查，數(shù)據(jù)采集與預處理，基于疲勞損傷累積理論，并與excel規(guī)劃求解相結(jié)合，實現(xiàn)了分頻段進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，彌補了損傷計算中丟失頻率信息的不足，使試驗場關(guān)聯(lián)效果更加理想。