汽車試驗場載荷譜等效分析技術

榮 兵，肖 攀

（中國汽車工程研究院，重慶 401122）

整車耐久性能試驗場規范，用于模擬用戶實際路面駕駛工況，在整車開發過程中驗證整車耐久性能。隨著整車三包政策的日益嚴格和市場競爭的加劇，各大整車廠逐步意識到耐久性能開發的重要性，而試驗規范的準確與否，直接關系到耐久性能開發的質量、成本與周期，因此試驗規范的有效性分析研究也越來越被重視。王萬英等[1]以偽損傷為基礎進行試驗場道路與用戶道路的當量分析，陳孟春等[2]則對定遠試驗場和襄陽試驗場的部分道路進行了當量分析。

通常試驗規范的制訂和優化要經歷4個階段：（1）參照國外試驗場規范是國內整車企業初期采用的方式，但其與國內實際道路及用戶工況的等效性上仍有一定差異。（2）隨著國內整車試驗場數量的增多，部分企業提出從試驗場A向試驗場B遷移的需求，為保證A試驗場規范和B試驗場規范的一致性，開展了試驗場關聯工作。（3）由于原試驗場規范通常是參照國外或國內其它試驗場規范制訂的，與國內道路情況及用戶的習慣和分布并無關聯，目前部分企業已開始開展用戶關聯工作。（4）為提升市場競爭力，部分整車企業提出延長整車質保里程，如從3年10萬km延長至3年15萬km，規范外推工作必不可少。以上工作隨著載荷譜采集技術和CAE仿真技術的日益成熟而變得可行。

本文以某sUV車型在國內某目標試驗場（A試驗場）的已知路試規范為基礎，制定新試驗（B試驗場）下的等效路試規范，研究內容包括以下幾個方面：（1）制定兩個試驗場的載荷譜采集方案，并進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）將試驗場路試規范進行分類，在A、B試驗場的相同類別間進行偽損傷等效分析，并制定等效的B試驗場路試規范。（4）最終將各等效通道的雨流統計頻次曲線與穿級計數曲線進行對比分析，驗證了B試驗場路試規范的等效程度。

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構形式，后懸架為多連桿結構形式。同時，為滿足所采集的載荷譜數據能有效地支持后續的整車耐久性能仿真分析、臺架試驗和試驗場等效分析工作，采集通道共設95個，主要包括以下信號類別：（1）外部激勵載荷-輪心六分力載荷。（2）懸架位移行程信號。（3）二力桿部件的拉壓力信號。（4）加速度信號。（5）應變信號。（6）GPs及路面分割邏輯信號等。其中，二力桿件信號需要通過相應的標定，獲得標定系數，從而將應變信號轉化為力信號，后懸前束調節桿標定如圖1所示，其余桿件標定類似，二力桿件測試通道及相應的標定系數詳見表1。

圖1 后懸前束調節桿標定

表1 采集二力桿信號列表

A試驗場的路試規范按區域劃分為三類：強化壞路、模擬山路和高環。其中，A試驗場的載荷譜采集方案完全根據已知的路試規范制定，由于B試驗場路試規范未知，在制定載荷譜采集方案時，需要綜合考慮A試驗場中所包含的路面工況、操作規范（制動、加速等），同時還要結合B試驗場的布局及行駛規范，最終應完成對B試驗場各路面工況盡可能全面的載荷譜采集工作。考慮到路面偶然因素和駕駛習慣的影響[3]，載荷譜采集數據樣本具備9次正確的數據，分別為3個駕駛員，各采集3次。A、B試驗場采集區域如圖2和圖3所示，主要包括強化壞路區域、制動區域、坡道區域和高環區域。

圖2 A試驗場采集區域

圖3 B試驗場采集區域

1.2 載荷譜處理

由于試驗場中涉及到大量的過渡路段，其對疲勞損傷影響很小，所以通過對不同路面進行分割用于去除過渡路段，同時也對不同路面的載荷譜數據進行標識。此外，信號還需進行必要的濾波、去毛刺漂移等常規處理。處理后的A試驗場載荷譜數據統計如下：（1）強化壞路區域中包括8個工況。（2）模擬山路區域包括4個制動工況和4個坡道工況。（3）高環工況。B試驗場載荷數據統計如下：（1）強化壞路區域中包括27個工況。（2）模擬山路中包括4個制動工況和8個坡道工況。（3）高環工況。由于兩個試驗場的制動區域、坡道區域和高環區域的布局和路面幾何特征基本一致，且以上3種工況對車輛結構的損傷主要來源于駕駛員的操作方法，而不取決于路面幾何特征，所以本文中不對其進行等效分析。

對分割處理后的各工況數據的有效樣本進行統計，大部分工況的有效樣本量為9個。由于車輛結構部件的疲勞損傷來源于外部激勵載荷，所以計算各樣本六分力信號的偽損傷，結合參考文獻[3] 和文獻[4]中的方法計算偽損傷向量，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 試驗場載荷譜等效分析原則

2.1 等效通道的確定

試驗場載荷譜的等效分析，主要依據載荷譜中各通道的偽損傷對比評估其等效的程度，按理選擇的等效通道越多，最終所能達到的等效程度越高，但也應該分清各通道信號對結構損傷的主次關系，例如：外部激勵通道信號重要程度大于車輛內部通道信號；力通道信號重要程度大于加速度通道信號；全局通道信號（懸架行程信號決定了相應的車身姿態）重要程度大于局部通道信號（局部應變信號）。根據以上原則，為滿足對車輛結構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，詳細通道說明如下：（1）24個外部激勵載荷-輪心六分力載荷。（2）4個懸架位移行程信號。（3）8個懸架系統二力桿部件的拉壓力信號。（4）2個穩定桿轉矩信號。（5）12個輪心加速度信號（x、y、z三個方向加速度）。（6）4個車身塔頂加速度信號（z向加速度）。（7）1個車身上應變信號。

基于疲勞累積損傷理論，不管是力、力矩還是應變都被認為是傳感器所在點的廣義應力，通過S-N曲線，即可求得廣義損傷或稱偽損傷。試驗場等效的前提是偽損傷等效，然而偽損傷等效后，結構部件的真實損傷是否也等效，其影響參數主要取決于用于計算偽損傷的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，對車輛結構所造成的真實損傷也一致，計算偽損傷的S-N斜率需滿足以下規律[5]。

將兩個試驗場的所有采集工況進行單次組合，然后對等效的55個通道的隨機譜進行雨流計數，確定在雙對數坐標系下幅值與頻次的關系曲線。依據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，但由于在雙對數坐標系下幅值與頻次的關系并非是一條直線，則需要對數據進行直線擬合。考慮到高幅值對疲勞損傷貢獻量較大的因素，擬合直線的數據僅包括高幅值區域內接近于直線段的數據，從而以該擬合直線的斜率做為計算偽損傷的S-N曲線斜率，確保了偽損傷比與真實損傷比的一致性，如圖4所示，擬合直線的斜率即為S-N曲線斜率。同時，S-N曲線的截距S0需大于等于雨流計數中的最大幅值，該項目中截距S0統一選取為雨流統計中最大幅值的10倍，按以上規律確定的55個通道所對應的S-N曲線參數見表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

2.2 載荷譜等效分析的評價指標

對等效分析的評價主要依靠所選等效通道間的偽損傷比值來進行，評價指標越接近1，等效程度越高；還可用等效通道的雨流統計頻次曲線、穿級計數曲線的對比間接地體現等效分析的可靠性，但并沒有具體的量化性指標進行考核，當然是曲線越接近越好。值得注意的是，在進行公共路面與試驗場等效分析時，由于公路路面的載荷譜幅值完全不可能達到試驗場載荷譜的幅值范圍，所以等效通道間的雨流曲線、穿級計數曲線對比會存在較大的差異，也沒有更大的參考價值。

對于等效通道的偽損傷比，雖然是一個量化的參數，但由于在等效分析中需要考核的通道較多，且在組合試驗場規范時，要考慮試驗場各路面的具體布局、試驗場行駛要求、路試規范總里程等眾多因素，所以在工程應用中，偽損傷比的評價指標并沒有一個明確的范圍，原則上通道越多、越接近1越好，當然也要區分主要載荷通道（外部激勵通道或主要變化通道）、次要載荷通道（內部加速度等）。為了保證新規范能對舊規范進行全面體現，在滿足所有通道接近1的條件下，個別通道的偽損傷比值會較大。

3 兩試驗場載荷譜等效分析

根據前文對載荷譜的分析，將其分為三大類：模擬山路工況、高環工況和強化壞路工況。針對模擬山路和高環工況，由于兩個試驗場的路面構造一致，所以在B試驗場中直接沿用A試驗場規范，不再做相應的等效分析。針對強化壞路工況的等效分析詳見下文。

基于A試驗場強化壞路規范，利用上文所確定的S-N曲線，計算出55個等效通道的偽損傷目標值，可記為目標矩陣T，其中可知T為55×1的矩陣，詳見式（1）。計算出B試驗場中27個強化壞路工況在單次循環下的55個等效通道偽損傷，可形成一個55×27的單次循環偽損傷矩陣D，詳見式（2）。則兩個試驗場強化環路上的等效工作，即是對B試驗場中27個強化環路工況的循環次數進行最優求解，設其對應的解為一個27×1的矩陣O，詳見式（3），最終形成的矩陣方程詳見式（4）。

結合B試驗場強化壞路區域中27個工況的布局和單次循環里程，將B試驗場強化壞路里程介于5 000 ～7 000 km作為求解式（4）的約束條件，利用Matlab編程對矩陣方程進行優化求解[6]，其優化目標以及在工程應用中需要考慮的因素在前文2.2節已進行了詳細闡述，該目標也是載荷譜等效分析的評價指標。將優化結果與實際工程應用中需要考慮的因素相結合，最終各等效通道的偽損傷比值見表3，將表中各等效通道進行分類對比分析如下：（1）1～12通道為外界對車輛的主要力載荷，也是對車輛部件造成疲勞損傷的主要來源，其偽損傷比值范圍為0.644～1.716，等效程度較高。（2）13～24通道為外界對車輛的主要力矩載荷，雖然耐久強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動），從而導致了前輪驅動力矩（通道17和18）的偽損傷值對比差距較大。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，通常在驅動工況下傳動部件與轉向節之間存在旋轉自由度，驅動力矩不會對底盤部件造成相應的疲勞損傷，所以不考慮在此情況下的前輪驅動力矩。在制動工況下，x向輪心力與y向輪心力矩存在一定的比例關系（My為Fx與輪胎滾動半徑之積），但前輪x向輪心力（通道1和2）的高等效程度也從側面說明在驅動工況下造成的前輪y向力矩的差異不會影響前輪x向力的差異。（3）25～28通道為懸架彈簧位移行程信號，它是反映車身運動姿態的全局信號通道，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通道為車身應變通道，其偽損傷比值為1.088，從車身實際受力角度出發，驗證了兩個試驗場的等效性。

表3 優化后等效通道偽損傷比

優化后的B試驗場強化路面工況所對應的循環次數見表4，表中所有工況循環次數都為430次的倍數，所以將430次做為B試驗場強化區域路試規范的大循環次數，每個小循環里再按各工況對應次數（優化循環次數除以430次）進行串聯，從而制定了B試驗場強化區域的可行性路試規范。結合B試驗場強化區域的連接路面里程，推算出等效的強化路試規范總里程約5 300 km。

表4 B試驗場強化區域等效優化循環次數

由于篇幅限制，本研究僅對等效后的左前輪輪心力通道載荷譜進行雨流統計頻次曲線和穿級計數曲線的對比分析，如圖5～10所示。由圖可知：（1）在雨流統計頻次曲線對比中，各通道載荷幅值范圍基本一致，且各幅值范圍對應的頻次也基本一致。（2）在穿級計數曲線對比中，各通道平衡點附近的穿級次數，B試驗場明顯高于A試驗場，這主要是由B試驗場中加入的小載荷路面引起（如淺灘、長波、碎石、砂石等路面）的，但各通道在平衡點以外，大幅值穿級區域穿級次數都基本一致。

圖5 左前輪心x向力雨流統計頻次曲線對比

圖6 左前輪心x向力穿級計數曲線對比

圖7 左前輪心y向力雨流統計頻次曲線對比

圖8 左前輪心y向力穿級計數曲線對比

圖9 左前輪心z向力雨流統計頻次曲線對比

圖10 左前輪心z向力穿級計數曲線對比

4 結論

隨著汽車工業的發展，國內汽車試驗場也不斷增加，雖然各試驗場對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，當試驗場路試規范從一個試驗場轉移到另一個試驗場時，就有必要對試驗場之間進行相應的等效分析。

本研究以A試驗場已知路試規范為基礎，利用某sUV車型進行A、B試驗場的載荷譜采集，同時對載荷譜進行分析和分類。針對模擬山路和高環工況，由于兩試驗場路面構造一致，所以在B試驗場中直接沿用A試驗場規范，不再做相應的等效分析。針對強化壞路工況，依據等效通道偽損傷一致的原則，進行A、B試驗場的等效優化，并制定B試驗場路試規范，最終通過對等效通道的偽損傷對比，以及雨流統計頻次曲線和穿級計數曲線的對比，驗證了等效分析的有效性。