汽車用戶關聯目標載荷譜的確定

柴保明等

摘 要：首先證明用戶道路疲勞載荷譜分布服從某種分布（如正態分布）的隨機過程；根據汽車用戶市場調查統計數據和少量用戶道路載荷譜樣本計算其相對損傷并作排序；然后通過服從某種分布的隨機抽樣試驗來擬合用戶道路疲勞載荷譜分布的統計特征，最后給出涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜近似值。最終應用到所有車型的耐久性規范制定中——承載系、傳動系、轉向、制動。

關鍵詞：汽車；用戶關聯；載荷譜

1 概述

汽車試驗場與用戶關聯性研究中，涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜確定，對問題研究尤為關鍵。因此需要研究在擁有汽車用戶市場調查統計數據和少量用戶道路載荷譜樣本情況下，怎么準確預估汽車市場用戶道路載荷譜分布，依此確定涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜國內對此問題，還沒有公開出版的論文和資料。LMS公司疲勞軟件Tec-Ware、nCode公司和國內其它汽車廠家對此問題處理尤為簡單：只把用戶市場調查統計數據（如用戶不同路面百分比）進行簡單的數學平均數計算或簡單的隨機抽樣。美國福特公司，雖然利用蒙特卡洛方法和金屬疲勞損傷理論，擬合仿真汽車市場用戶道路載荷譜分布，但是在隨機數利用過程中，福特公司沒有考慮，用戶車輛載荷損傷的統計學分布，而是簡單利用服從均勻分布的隨機數，去擬合仿真汽車市場用戶道路載荷譜分布。汽車用戶實際使用車輛的疲勞損傷，很難確定。原因有汽車用戶地區分布分散，駕駛員操作風格習慣千差萬別，各地汽車行駛的路面特征也不同。成本與時間的限制，試驗采集車輛很難做到詳盡的用戶道路載荷譜測量。

2 蒙特卡洛方法

3 金屬疲勞損傷

金屬疲勞損傷是由于應力-應變的疲勞滯回循環而引起的損傷源附近材料的反復塑性變形。每個疲勞滯回循環都給構件造成一定量的疲勞損傷，整個時域載荷歷程總損傷可通過累加每個循環引起的損傷得到。

Dr為相對累計損傷，ni 為試驗中雨流計數統計第 級試驗載荷 Si（加速度g、位移mm、微應變）作用下的循環數，dist為每個試驗樣本對應對的行駛里程因子。

4 用戶市場調查

在國內同類車型市場進行汽車用戶實際使用情況市場調查，分4種路面（每種路面的行駛里程百分比），2種載荷（滿載質量和空載質量）進行調查，共得到1360份有效統計表。應用蒙特卡洛方法中的直接抽樣法，生成服從平均分布的隨機數，并進行轉換為在（0，1）區間上服從正態分布的隨機數。使得每一個隨機數與每一份用戶調查數據一一對應，如表1。

在全國典型地區路面上，用已安裝完傳感器的采集車進行模擬汽車用戶使用情況的道路載荷樣本采集。采集過程中，分4種路面，2種載荷（滿載質量和空載質量）進行試驗采集，共得到332份有效樣本。在車輛主要部件，布置安裝不同種類的傳感器，如表3。利用數據采集儀記錄各測點時域信號，如圖1，部分典型路面后橋微應變信號樣本圖。

6 用戶道路疲勞載荷譜樣本分布假設檢驗

以后橋微應變為例，首先研究用戶道路載荷譜樣本符合何種分布，然后根據此分布生成對應的隨機數，利用蒙特卡洛方法進行用戶道路載荷譜分布擬合仿真。用同樣的方法擬合仿真其它測點用戶道路載荷譜分布。

同樣可以證明其它不同測點、不同載荷、不同路面的用戶載荷譜樣本額定公里損傷也服從正態分布。

8 用戶道路疲勞載荷譜分布擬合仿真

由于用戶的不同載荷、不同路面道路疲勞載荷譜服從正態分布，在應用蒙特卡洛方法擬合仿真時，用計算機產生服從正態分布的偽隨機數。利用用戶調查數據、采集車輛所采集的用戶道路載荷譜樣本和偽隨機數擬合仿真用戶道路疲勞載荷譜分布。

圖3為程序輸出的用戶不同載荷、不同路面的道路疲勞載荷譜樣本的擬合仿真曲線。

涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜確定

在上圖3中，取90%概率所對應的雨流循環分級數據作為后橋微應變目標疲勞載荷譜，如圖4和表5，其中忽略小幅值對相對損傷計算的影響。

其它位置測點，同樣的方法和過程擬合仿真概率分布，并最終確定90%概率所對應的雨流循環分級數據作為其目標疲勞載荷譜。

8 結束語

文章依據蒙特卡洛方法和金屬疲勞損傷理論，完成了某車型用戶道路疲勞載荷譜分布擬合仿真，最后確定了涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜疲勞滯回循環雨流分級數據。為某車型可靠性考核提供了汽車用戶市場的疲勞載荷譜目標數據，可以推廣到其它車型耐久性規的范制定。

參考文獻

[1]李亞妮.蒙特卡羅方法及其在期權定價中的應用[D].陜西：陜西師范大學，2007.

[2]周水兵.用戶關聯汽車道路載荷譜編制的研究[D].浙江大學，2008. [3]董強強.不同試驗場道路對車身疲勞損傷的貢獻度分析研究[D].河北工程大學，2015.

[4]林曉斌.關聯用戶用途的汽車技術[J].中國機械工程，1998.

作者簡介：柴保明（1964，3-），男，博士，教授，現任河北工程大學機電學院，副院長。

*通訊作者：靳德誠（1987，8-），男，河北邯鄲人，在讀研究生，現就讀于河北工程大學，研究方向：機械電子工程。