淺談重型卡車(chē)載荷譜采集與疲勞分析

薛黎明 萬(wàn)亮亮 夏德東 彭德文

摘要：載荷譜對(duì)整車(chē)及零部件疲勞耐久性能的研究具有非常重要的意義，而獲取準(zhǔn)確的載荷譜是進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)、疲勞損傷分析和整車(chē)疲勞設(shè)計(jì)的先決條件。本文介紹了重型卡車(chē)載荷譜采集與數(shù)據(jù)處理流程，闡述了基于載荷譜進(jìn)行疲勞損傷分析的基本原理。這對(duì)重型卡車(chē)生產(chǎn)企業(yè)建立科學(xué)有效的整車(chē)耐久試驗(yàn)規(guī)范、提高整車(chē)疲勞耐久性能與產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要的理論和工程應(yīng)用價(jià)值。

Abstract： Load spectrum is of great significance to the study of fatigue durability of whole vehicle and parts， and obtaining accurate load spectrum is the prerequisite for fatigue durability test， fatigue damage analysis and whole vehicle fatigue design. This paper introduces the process of load spectrum acquisition and data processing of heavy truck， and expounds the basic principle of fatigue damage analysis based on load spectrum. This has important theoretical and engineering application value for heavy truck manufacturers to establish scientific and effective vehicle durability test specifications， improve vehicle fatigue durability and product market competitiveness.

關(guān)鍵詞：可靠性;疲勞耐久;疲勞壽命;載荷譜;疲勞損傷

Key words： reliability;fatoeie durability;fatigue life;load spectrum;fatigue damage

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0092-02

0? 引言

隨著我國(guó)基建和物流業(yè)的快速發(fā)展，重型卡車(chē)的銷(xiāo)量快速增長(zhǎng)，疲勞耐久性能對(duì)重型卡車(chē)的市場(chǎng)口碑極其重要，因此越來(lái)越受到整車(chē)制造企業(yè)的重視。疲勞耐久性能需要通過(guò)疲勞耐久試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，整車(chē)疲勞耐久試驗(yàn)主要包括用戶道路試驗(yàn)、試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)虛擬試驗(yàn)。

用戶道路試驗(yàn)因試驗(yàn)周期長(zhǎng)，已基本被試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)取代。試驗(yàn)場(chǎng)都建有一系列典型強(qiáng)化路面，在較短時(shí)間內(nèi)可以得到在目標(biāo)用戶道路上數(shù)年的損傷情況，從而達(dá)到加速試驗(yàn)的目的[1]。通過(guò)采集目標(biāo)用戶道路與試驗(yàn)場(chǎng)典型強(qiáng)化道路載荷譜并進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算，可以得到兩種道路的相對(duì)損傷關(guān)系，以制訂出與目標(biāo)用戶關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)規(guī)范。室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)是將加速編輯后的道路載荷譜作為輸入，通過(guò)迭代獲得試驗(yàn)臺(tái)架加載譜，在臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)車(chē)輛在道路上試驗(yàn)時(shí)相同的失效和故障模式，可進(jìn)一步縮短整車(chē)疲勞耐久試驗(yàn)周期。計(jì)算機(jī)虛擬疲勞試驗(yàn)通過(guò)建立整車(chē)多體動(dòng)力學(xué)模型并運(yùn)用虛擬迭代技術(shù)，將載荷譜作為輸入信號(hào)，在整車(chē)設(shè)計(jì)階段即可對(duì)整車(chē)進(jìn)行虛擬疲勞分析和壽命預(yù)測(cè)[2]。因此，獲取準(zhǔn)確的載荷譜是對(duì)整車(chē)進(jìn)行疲勞耐久研究的基礎(chǔ)。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)對(duì)乘用車(chē)載荷譜采集與疲勞分析的研究較多，針對(duì)重型卡車(chē)的研究相對(duì)較少。本文介紹了重型卡車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集與數(shù)據(jù)處理的基本方法，對(duì)基于載荷譜進(jìn)行疲勞分析的基本原理進(jìn)行了闡述。

1? 采集設(shè)備簡(jiǎn)介

1.1 采集系統(tǒng)與傳感器? 載荷譜采集系統(tǒng)與傳感器參考表1所示。

1.2 傳感器布置原則? 傳感器測(cè)點(diǎn)理論上越多越好，但受數(shù)采系統(tǒng)通道數(shù)及人力、物力、成本限制，測(cè)點(diǎn)選擇盡量滿足采集需要即可。應(yīng)變片采集的信號(hào)可以直接用于整車(chē)及零部件疲勞壽命預(yù)測(cè)，一般布置在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、市場(chǎng)反饋出現(xiàn)開(kāi)裂的位置和CAE分析中應(yīng)力集中點(diǎn)。加速度信號(hào)主要作為室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)虛擬耐久試驗(yàn)的迭代信號(hào)或監(jiān)控信號(hào)，盡量布置在靠近輪胎中心處。車(chē)輪相對(duì)車(chē)架的垂向位移在室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)中應(yīng)用較多。六分力信號(hào)是后續(xù)制訂軸耦合道路模擬機(jī)目標(biāo)譜的重要參考信號(hào)。因此，載荷譜采集前應(yīng)首先確定采集載荷譜的用途，不同的用途對(duì)于測(cè)點(diǎn)的選擇是有不同的側(cè)重點(diǎn)的。

在傳感器布置后，應(yīng)對(duì)傳感器進(jìn)行必要的保護(hù)。比如在應(yīng)變片表面涂絕緣膠水，以免應(yīng)變片受猛烈沖擊而損壞。在發(fā)動(dòng)機(jī)或排氣系統(tǒng)附近的傳感器表面裹上幾層隔熱膠帶或使用隔熱錫紙，避免因高溫導(dǎo)致的傳感器損傷和測(cè)試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確問(wèn)題。

2? 采集過(guò)程

在進(jìn)行載荷譜采集前，應(yīng)先了解用戶用途目標(biāo)，主要包括車(chē)輛的負(fù)荷情況、行駛的道路種類(lèi)、在各種道路上行駛的速度和里程等信息。根據(jù)用戶用途目標(biāo)，確定試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集程序。試驗(yàn)車(chē)輛根據(jù)試驗(yàn)需求配重，配重物要固定牢靠，在采集過(guò)程中不得發(fā)生晃動(dòng)和顛離。車(chē)輛輪胎氣壓符合標(biāo)準(zhǔn)要求，車(chē)輛各總成、部件、附屬裝置，按規(guī)定裝配齊全。

在完成采集設(shè)備和傳感器安裝調(diào)試后，由專(zhuān)業(yè)駕駛員駕駛試驗(yàn)車(chē)輛，測(cè)試工程師隨車(chē)進(jìn)行載荷譜采集，采樣率設(shè)為1024Hz。在正式測(cè)試前應(yīng)先進(jìn)行預(yù)測(cè)試，以檢查設(shè)備、傳感器有無(wú)異常情況。采集過(guò)程中，駕駛員應(yīng)嚴(yán)格按照路試程序駕駛車(chē)輛，測(cè)試工程師實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)試信號(hào)有無(wú)異常。車(chē)輛行駛到一種強(qiáng)化路面時(shí)，按下邏輯開(kāi)關(guān)，離開(kāi)時(shí)再按一次，方便在后期根據(jù)邏輯開(kāi)關(guān)信號(hào)對(duì)各路面信號(hào)進(jìn)行截取。考慮到不同用戶駕駛習(xí)慣的差異，可以由3名駕駛員駕駛試驗(yàn)車(chē)輛，各采集3次，共采集9組數(shù)據(jù)。

3? 數(shù)據(jù)校驗(yàn)與預(yù)處理

3.1 有效性校驗(yàn)? 為不影響后續(xù)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)首先對(duì)采集數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行校驗(yàn)。首先，檢查車(chē)速是否符合試驗(yàn)規(guī)范要求。然后對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行觀察，高質(zhì)量的信號(hào)曲線光滑且有一定的規(guī)律性（幅值在均值上下呈對(duì)稱(chēng)分布）。軸頭加速度信號(hào)幅值一般不超過(guò)30g，安裝在車(chē)輛左右對(duì)稱(chēng)位置的傳感器，信號(hào)幅值應(yīng)具有較好的重合度。從頻譜上觀察，測(cè)試信號(hào)幅值一般服從正態(tài)分布，且路面激勵(lì)在80Hz以下。將采集的9組信號(hào)從時(shí)域、頻率、幅值域進(jìn)行對(duì)比，三者應(yīng)該具有較好的重復(fù)性。對(duì)懸架系統(tǒng)上測(cè)得的加速度和位移信號(hào)，可通過(guò)積分?jǐn)?shù)學(xué)換算相互驗(yàn)證信號(hào)的有效性。

3.2 異常數(shù)據(jù)處理? 載荷譜采集過(guò)程中，由于各種不確定因素干擾可能導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)各種異常，如毛刺、趨勢(shì)項(xiàng)等。信號(hào)中的“毛刺”一般是由于電干擾或意外的物理撞擊所引起的，其信號(hào)幅值遠(yuǎn)大于附近點(diǎn)的幅值。趨勢(shì)項(xiàng)的產(chǎn)生一般是由采集系統(tǒng)零點(diǎn)漂移或溫度變化引起，其信號(hào)軸線脫離橫軸，呈上升或下降趨勢(shì)。毛刺與趨勢(shì)項(xiàng)等異常信號(hào)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真，在后續(xù)計(jì)算過(guò)程中導(dǎo)致不可預(yù)知的結(jié)果[3]。可以在Glyphworks模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，消除信號(hào)毛刺和趨勢(shì)項(xiàng)。

3.3 試驗(yàn)樣本選擇? 在完成信號(hào)的校驗(yàn)和預(yù)處理后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行50Hz低通加漢寧窗濾波處理，以消除高于50Hz的部分，因?yàn)榇瞬糠值恼駝?dòng)對(duì)整車(chē)的強(qiáng)度和耐久性影響非常小。從多組數(shù)據(jù)中挑出采集狀態(tài)最好的，車(chē)速最穩(wěn)定的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，用于后續(xù)疲勞損傷計(jì)算。

4? 疲勞分析

4.1 疲勞性能曲線（S-N曲線）? 疲勞壽命與疲勞損傷計(jì)算主要依賴于材料的S-N曲線（圖1）。S是恒定幅值應(yīng)力，N為與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)力加載下疲勞件發(fā)生疲勞破壞循環(huán)次數(shù)，即壽命[4]。S-N曲線可以通過(guò)大量樣件的恒定幅值應(yīng)力循環(huán)加載試驗(yàn)得到。工程上，通常是依據(jù)材料特性，在軟件中擬合得到它的S-N曲線。

4.2 Miner線性累積損傷理論? S-N曲線只能解決特定載荷（載荷數(shù)值明確）的疲勞壽命計(jì)算。但事實(shí)上汽車(chē)行駛時(shí)受到的載荷是動(dòng)態(tài)變化的，沒(méi)有辦法通過(guò)直接查詢S-N曲線來(lái)計(jì)算疲勞損傷值，于是出現(xiàn)了累積損傷理論。根據(jù)累積損傷理論，構(gòu)件在承受隨機(jī)載荷作用下工作時(shí)，其疲勞破壞是在不同幅值的應(yīng)力循環(huán)作用下所造成的不同大小的損傷逐步累積的結(jié)果。Miner線性疲勞累積損傷理論是目前應(yīng)用最為普遍的疲勞累積損傷理論，根據(jù)Miner理論，構(gòu)件的疲勞損傷可以直線累積，總損傷量為D，當(dāng)D=1時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞，當(dāng)D≠1時(shí)，其倒數(shù)為零件可服役的次數(shù)，即其壽命。

4.3 計(jì)數(shù)法? 使汽車(chē)零部件產(chǎn)生疲勞損傷的主要原因是載荷幅值和載荷循環(huán)次數(shù)。汽車(chē)行駛過(guò)程中采集到的載荷-時(shí)間歷程，具有很大的隨機(jī)性，沒(méi)有辦法直接用于疲勞損傷的計(jì)算，必須對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理。從載荷的隨機(jī)信號(hào)中統(tǒng)計(jì)識(shí)別出不同大小級(jí)別載荷循環(huán)的次數(shù)的過(guò)程叫“計(jì)數(shù)法”。目前，在國(guó)內(nèi)外工程中應(yīng)用最為廣泛的是雨流計(jì)數(shù)法[5]。雨流計(jì)數(shù)法的過(guò)程，可以利用Glyphworks軟件完成。

4.4 疲勞損傷計(jì)算? 經(jīng)雨流計(jì)數(shù)法處理后的應(yīng)力應(yīng)變信號(hào)輸入材料真實(shí)的S-N曲線中，即可進(jìn)行絕對(duì)損傷計(jì)算，并進(jìn)一步獲得其真實(shí)的疲勞壽命。但在工程實(shí)踐中，損傷分析的作用主要是建立用戶道路試驗(yàn)、試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)、計(jì)算機(jī)虛擬耐久試驗(yàn)之間的當(dāng)量關(guān)系與對(duì)比零部件設(shè)變前后改善效果等，因此，這里需要導(dǎo)入偽損傷的概念。各種信號(hào)（包括力、力矩、位移、加速度及應(yīng)變）都可認(rèn)為是“廣義應(yīng)力”，將“廣義應(yīng)力”信號(hào)用Glyphworks雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)載荷與循環(huán)次數(shù)后，代入S-N 曲線（由于是做相對(duì)損傷對(duì)比，所以S-N曲線也可以是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)創(chuàng)建的），依據(jù)Miner法則進(jìn)行計(jì)算，即可求得“名義壽命”或偽損傷。采用這種方法得到的絕對(duì)數(shù)值并無(wú)實(shí)際意義，主要用于對(duì)比分析。

5? 結(jié)論

本文介紹了重型卡車(chē)載荷譜采集與數(shù)據(jù)處理流程，對(duì)基于載荷譜進(jìn)行整車(chē)疲勞分析的基本原理進(jìn)行了闡述。載荷譜對(duì)于重型卡車(chē)這類(lèi)承載運(yùn)輸類(lèi)車(chē)輛的疲勞耐久性能的研究非常重要。雖然我國(guó)重型卡車(chē)研發(fā)與制造水平在持續(xù)不斷的向?qū)I(yè)化發(fā)展，與國(guó)外技術(shù)水平差異不斷縮小，但在疲勞耐久試驗(yàn)領(lǐng)域還處于摸索發(fā)展階段。因此，不斷提升整車(chē)疲勞耐久性能仍是重型卡車(chē)整車(chē)制造企業(yè)需要持續(xù)研究的重要課題。

參考文獻(xiàn)：

[1]江毓，王曉磊，鄭燕萍，等.與用戶使用關(guān)聯(lián)的整車(chē)耐久性試驗(yàn)方案確定[J].時(shí)代汽車(chē)，2017（06）：81-83，85.

[2]謝志強(qiáng)，裴照地.載荷譜在汽車(chē)上的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī)，2015（08）：48，68.

[3]趙曉鵬，馮樹(shù)興，張強(qiáng)，等.越野汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)載荷信號(hào)的采集及預(yù)處理技術(shù)[J].汽車(chē)技術(shù)，2010（09）：38-42.

[4]張然志，譯.LEE Y L.疲勞試驗(yàn)測(cè)試分析理論與實(shí)踐[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011：32.

[5]祝安定，劉康，陳金赟，等.基于雨流計(jì)數(shù)的汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)路面強(qiáng)化關(guān)系研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，36（12）：1418-1421.