基于整車路譜的后處理系統(tǒng)振動(dòng)方法研究

孫志江，楊 起，李 嵩，鄭碧穎，劉偉達(dá)

（濰柴動(dòng)力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

柴油機(jī)車國(guó)六產(chǎn)品對(duì)排放的要求進(jìn)一步提高。而低排放的實(shí)現(xiàn)，目前的路線為在國(guó)五發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，通過DOC、DPF以及SCR降低排放。在后處理復(fù)雜性提高的同時(shí)，結(jié)構(gòu)可靠性的要求也愈發(fā)的提高。整車對(duì)于后處理結(jié)構(gòu)的考核是通過如定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)、海南熱帶試驗(yàn)場(chǎng)等整車的路試試驗(yàn)場(chǎng)的耐久試驗(yàn)，當(dāng)按照一定的測(cè)試流程完成相應(yīng)里程的測(cè)試，可以認(rèn)為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)通過考核。但是試驗(yàn)周期長(zhǎng)，試驗(yàn)費(fèi)用高。而且后處理廠商很難有相應(yīng)整車長(zhǎng)時(shí)間的耐久測(cè)試。為了解決這些問題，通過研究耐久試驗(yàn)場(chǎng)中整車耐久試驗(yàn)中的后處理振動(dòng)與試驗(yàn)臺(tái)振動(dòng)試驗(yàn)的產(chǎn)品損傷情況，將試驗(yàn)臺(tái)的隨機(jī)振動(dòng)與試驗(yàn)場(chǎng)的耐久路試相關(guān)聯(lián)，使得在振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行的產(chǎn)品核效果與試驗(yàn)場(chǎng)考核驗(yàn)證效果等同，在保證產(chǎn)品機(jī)械耐久考核效果的前提下，節(jié)省開發(fā)資源，縮短開發(fā)周期，并且通過仿真分析、耐久試驗(yàn)場(chǎng)的試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)試驗(yàn)相對(duì)比，確認(rèn)了方法的可行性。整個(gè)流程如圖1所示。

圖1 耐久開發(fā)流程

1 數(shù)據(jù)來源

后處理產(chǎn)品常見的失效模式是在長(zhǎng)期的使用過程中，外部封裝殼體發(fā)生脫焊、邊角開裂等情況。此種失效是在整車正常使用情況下，激勵(lì)引起的應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，發(fā)生的應(yīng)變也往往處于彈性應(yīng)變范圍內(nèi)，是一種長(zhǎng)期經(jīng)受動(dòng)態(tài)載體而引起的結(jié)構(gòu)性失效。

對(duì)于安裝在車身或是車架位置的后處理系統(tǒng)來說，激勵(lì)來源主要為從車輪傳來的路面激勵(lì)，發(fā)動(dòng)機(jī)變速器等機(jī)械部件工作產(chǎn)生的激勵(lì)。整車在整車行駛過程中，對(duì)于后處理系統(tǒng)來說，可以認(rèn)為是寬頻隨機(jī)振動(dòng)與定頻振動(dòng)的疊加。此種激勵(lì)使用隨機(jī)振動(dòng)疲勞試驗(yàn)進(jìn)行模擬是目前有效的方案。通過實(shí)際采集的振動(dòng)時(shí)域信號(hào)，進(jìn)行處理之后形成后處理實(shí)際全壽命損傷與振動(dòng)臺(tái)隨機(jī)振動(dòng)損傷的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而形成了解耦后的單軸振動(dòng)耐久試驗(yàn)的方法。

車輛在實(shí)際行駛過程中，可以認(rèn)為是寬帶隨機(jī)振動(dòng)背景附加上定頻振動(dòng)。目前采集振動(dòng)來源主要有兩種方式。一種方式為實(shí)際道路采集，但是對(duì)于采集道路的定義以及不同道路的比例十分重要。另外一種方式為試驗(yàn)場(chǎng)采集，試驗(yàn)場(chǎng)路試為穩(wěn)態(tài)隨機(jī)激勵(lì)，試驗(yàn)場(chǎng)中定義了不同壞路，通過車輛在試驗(yàn)場(chǎng)行駛一段固定里程的耐久路試，通過不同強(qiáng)化路段對(duì)于車輛不同的激勵(lì)達(dá)到最產(chǎn)品耐久考核的目的。

兩種方式區(qū)別：第一種是從實(shí)際中得來的，但是考慮到全國(guó)不同地區(qū)的相同路況差異，不同地方采集的同一種名稱的道路，路面激勵(lì)數(shù)據(jù)均也有一定的差異，對(duì)于產(chǎn)品考核不易形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，但是此種方法可以考核固定路線車輛，且與實(shí)際吻合度較好。

試驗(yàn)場(chǎng)路試，按照統(tǒng)一的行駛規(guī)則，在相同的道路中，激勵(lì)信號(hào)一致性較好，且路試損傷比例一致。目前為了耐久性驗(yàn)證采集的數(shù)據(jù)，多在路試試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行采集。

2 數(shù)據(jù)采集

以海南試驗(yàn)場(chǎng)為例子，使用某品牌車輛作為試驗(yàn)車輛，搭載公司開發(fā)完成的箱式后處理產(chǎn)品。

試驗(yàn)前對(duì)后處理總成以及總成的激勵(lì)來源點(diǎn)進(jìn)行加速度傳感器的張貼，如圖2所示。

圖2 加速度傳感器張貼位置

完成后，連接采集設(shè)備LMS或是eDaQ，進(jìn)行信號(hào)測(cè)試，在確認(rèn)信號(hào)后，進(jìn)行正式的路譜采集。同時(shí)可以增加額外的通道連接脈沖發(fā)生器，用于在實(shí)際采集中對(duì)關(guān)系的路段數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記。

海南試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化道路分別為比利時(shí)路、扭曲路、搓板路、卵石路、波形路、魚鱗坑路、石塊路、凸塊路等。車輛按照既定的試驗(yàn)路線進(jìn)行路試，同時(shí)通過脈沖發(fā)生器對(duì)應(yīng)固定的路況進(jìn)行標(biāo)記，以方面后續(xù)處理中對(duì)于不同道路信號(hào)的處理與分離。

路譜采集試驗(yàn)中，采集加速度傳感器為三向加速度傳感器，采集信號(hào)直接解耦得到X/Y/Z三個(gè)方向的加速度數(shù)據(jù)。

每次采集需進(jìn)行至少2次，在時(shí)域下檢查信號(hào)采集質(zhì)量，在頻率下對(duì)比數(shù)據(jù)信號(hào)的一致性，如圖3所示。在確認(rèn)信號(hào)一致性通過的情況下，完成試驗(yàn)采集。

圖3 數(shù)據(jù)信號(hào)一致性對(duì)比

3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行去毛刺，去奇異點(diǎn)以及去漂移等。

奇異點(diǎn)與毛刺[1-3]均是不符合道路整車正常數(shù)據(jù)的變化的規(guī)律的點(diǎn)，作為異常信號(hào)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理時(shí)候需要去掉或是通過平均值替換法，對(duì)奇異點(diǎn)或是毛刺信號(hào)進(jìn)行替換，在不影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的情況下，也可以通過直接將毛刺與奇異點(diǎn)剔除的方式進(jìn)行處理。

完成后進(jìn)行去漂移處理，對(duì)于試驗(yàn)場(chǎng)采集路譜，數(shù)據(jù)的理論平均值應(yīng)為0，但是實(shí)際采集中由于理論平均值并不為0，這就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)的漂移，如圖4所示。通過對(duì)數(shù)據(jù)相對(duì)于平均值進(jìn)行修正，使得完整數(shù)據(jù)的平均值為0，修正后的信號(hào)如圖5所示。另外通過濾波的方式也可以完成對(duì)于數(shù)據(jù)的漂移修正[4-5]。

圖4 漂移信號(hào)

圖5 去除漂移后的數(shù)據(jù)

對(duì)前處理完成的數(shù)據(jù)，接下來進(jìn)行損傷譜的計(jì)算。損傷計(jì)算工程多基于Miner損傷準(zhǔn)則，根據(jù)該準(zhǔn)則，在一段時(shí)間內(nèi)的總損傷計(jì)算公式為公式（1）。

對(duì)于后處理總成的分析頻率一般取5～1000 Hz，考慮到目前使用的高頻振動(dòng)臺(tái)多為勵(lì)磁式振動(dòng)臺(tái)，最低分析頻率提升至10 Hz。

基于Lalanne[6]的工作，寬頻下?lián)p傷譜的計(jì)算基于公式（2），計(jì)算出每個(gè)頻率下的損傷。

式中，Q為動(dòng)態(tài)放大參數(shù)，fn為頻率，K為剛度系數(shù)，b/C為材料疲勞參數(shù)；Γ為與加速度相關(guān)的伽瑪函數(shù)。

根據(jù)公式（2），通過nCode軟件計(jì)算出全壽命的損傷，損傷譜如圖6所示。

圖6 全壽命損傷譜

損傷譜計(jì)算之后，通過公式（2）推導(dǎo)得到公式（3）用于計(jì)算PSD譜[7-8]。

通過公式（3）與nCode軟件計(jì)算得到的PSD譜如圖7所示。但是處理得到的PSD譜與加速時(shí)間、設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)目息息相關(guān)，加速系數(shù)愈大，PSD愈大，即試驗(yàn)時(shí)間愈短。但是在損傷譜確定的情況下，由PSD譜與試驗(yàn)時(shí)間共同決定的總激勵(lì)能量是一定的，即損傷值是固定值。

圖7 PSD譜

但是加速系數(shù)愈大，PSD愈大，同時(shí)會(huì)造成沖擊響應(yīng)譜（SRS）的增大，當(dāng)沖擊響應(yīng)譜（SRS）或是極限響應(yīng)譜（ERS）遠(yuǎn)大于原始時(shí)域信號(hào)中提取到的沖擊響應(yīng)，則試驗(yàn)中產(chǎn)品的損傷與實(shí)際損傷可能出現(xiàn)不相符的狀態(tài)。因此對(duì)于試驗(yàn)的加速，應(yīng)充分考慮加速因子的影響。

4 考核譜制定

通過處理得到的PSD譜是不能直接用于振動(dòng)試驗(yàn)考核?？紤]到對(duì)于后處理同一款產(chǎn)品需要適配多寬車型，需要對(duì)考核譜進(jìn)行頻率簡(jiǎn)化、譜值強(qiáng)化與頻次拓展。

對(duì)于該品牌的車輛和另外一款車輛后處理振動(dòng)數(shù)據(jù)均采集自海南試驗(yàn)場(chǎng)。通過對(duì)實(shí)際采集數(shù)據(jù)處理得到的PSD譜進(jìn)行對(duì)比，分析不同峰值間差值與頻域差值，對(duì)峰值點(diǎn)進(jìn)行頻次的拓展，以適應(yīng)產(chǎn)品對(duì)不同車型適配的考核，降低產(chǎn)品的考核成本，同時(shí)提高考核譜的強(qiáng)度，增強(qiáng)了考核的置信度，最終的考核譜圖8所示。三者的GRMS值分別為1.31、1.71和1.87。同時(shí)注意考核譜的增強(qiáng)強(qiáng)度，當(dāng)增強(qiáng)過多時(shí)，雖然考核強(qiáng)度提高，但是如果考核過于嚴(yán)苛，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本會(huì)有所提升。

圖8 最終振動(dòng)臺(tái)考核使用的考核譜

5 仿真與試驗(yàn)考核

考核譜制定之后，首先使用nastran或是Abaqus等軟件對(duì)總成進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，將制定好的考核譜作為激勵(lì)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，分析得到的應(yīng)力云圖（圖9）。

圖9 風(fēng)險(xiǎn)分析應(yīng)力云圖

在風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果中，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)若評(píng)判為中風(fēng)險(xiǎn)或是低風(fēng)險(xiǎn)，則可以進(jìn)行實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)考核，振動(dòng)試驗(yàn)如圖10所示。由于材料在高溫下的力學(xué)性能會(huì)有所降低，為了模擬實(shí)際使用中的狀態(tài)，在進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)的同時(shí)，向后處理產(chǎn)品通入高溫氣體，氣體溫度根據(jù)匹配的發(fā)動(dòng)機(jī)平臺(tái)不同而不同。對(duì)于該款后處理產(chǎn)品，振動(dòng)時(shí)通入550℃的高溫氣體。振動(dòng)時(shí)長(zhǎng)根據(jù)處理數(shù)據(jù)的加速因子進(jìn)行確定，分別進(jìn)行3個(gè)方向的振動(dòng)試驗(yàn)。

圖10 振動(dòng)臺(tái)架實(shí)際振動(dòng)狀態(tài)

試驗(yàn)完成后，等待產(chǎn)品冷卻之后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行氣密性的檢測(cè)。氣密性檢測(cè)為模擬實(shí)際使用中的最大背壓，進(jìn)行保壓一段時(shí)間，檢查氣體的泄露量。該款產(chǎn)品使用的氣密性壓力為30 kPa，保持一段時(shí)間后測(cè)得的平均每分鐘的泄漏量為9.9 L/min，低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

在氣密性結(jié)果通過后，進(jìn)一步檢查產(chǎn)品外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效的情況下，可以認(rèn)為產(chǎn)品通過驗(yàn)證。

對(duì)于失效產(chǎn)品，試驗(yàn)后與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析失效部位與仿真分析得到的高應(yīng)力點(diǎn)是否吻合，不斷端試驗(yàn)進(jìn)行方法修正。

該款產(chǎn)品在振動(dòng)試驗(yàn)中的通過了試驗(yàn)，同時(shí)搭載在商用車上進(jìn)行試驗(yàn)場(chǎng)路試試驗(yàn)的該款后處理，也通過了驗(yàn)證。振動(dòng)耐久試驗(yàn)對(duì)于產(chǎn)品的考核有效。

6 結(jié)語

通過上面的理論和處理過程，可以將在整車上驗(yàn)證的后處理零部件道路試驗(yàn)，轉(zhuǎn)化為振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的試驗(yàn)。同時(shí)通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的有效性。轉(zhuǎn)化后的振動(dòng)試驗(yàn)試驗(yàn)在試驗(yàn)室中進(jìn)行，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)過程，節(jié)省了試驗(yàn)成本。