基于相對損傷譜的試驗場耐久性試驗關聯(lián)方法

王海賓 趙云達 施亦舟 楊立澤 彭意濤

（一汽解放汽車有限公司商用車開發(fā)院，長春 130011）

1 前言

在汽車行業(yè)智能化、網聯(lián)化、電動化發(fā)展的新形勢下，汽車產品的可靠性耐久性越來越受到重視。試驗場可靠性耐久性試驗作為整車的主要考核目標，必須遵循合理的試驗規(guī)范，科學全面的試驗規(guī)范是發(fā)現(xiàn)潛在失效模式的重要保障，也是產品研發(fā)成功的關鍵[1]，其中，零部件的失效模式必須與用戶實際使用條件下的失效模式一致，試驗場規(guī)范才具有應用價值。

王世英等[2]提出了一種同時考慮用戶路面及駕駛方式分布獲取95%用戶目標損傷值的方法。相比以往單一的問卷調查或數(shù)據(jù)采集方式，該方法獲取的用戶數(shù)據(jù)更加真實、準確。而David Ensor 等[3]提出95%用戶損傷僅代表相對“極端情況”的用戶使用數(shù)據(jù)，使用場景劃分不夠細致，對大多數(shù)用戶而言存在設計冗余?！?5%用戶”的使用范圍過于寬泛，開發(fā)適用于全國市場的汽車產品的粗放式研發(fā)會導致用戶購車成本和汽車企業(yè)研發(fā)成本的增加。

本文通過調查問卷與載荷譜采集相結合的方式，考慮用戶的差異化需求，將95%用戶的使用場景進一步細分，根據(jù)損傷等效原理，利用相對損傷譜關聯(lián)矩陣求解約束條件下的試驗場特征路面循環(huán)次數(shù)，確定試驗場耐久性試驗方案，并利用頻域損傷直方圖和雨流計數(shù)法進行驗證。

2 試驗關聯(lián)方法流程

圖1 所示為試驗場耐久性試驗關聯(lián)方法流程，主要分為5個部分：

圖1 試驗場耐久性試驗關聯(lián)方法流程

a.用戶使用場景調研，確定用戶目標及用戶典型使用工況；

b.在用戶使用場景下按用戶駕駛習慣行駛，采集車輛關鍵零部件數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)處理及動態(tài)頻響特性分析；

c.在試驗場特征路面上采集車輛關鍵零部件數(shù)據(jù)并完成數(shù)據(jù)處理及動態(tài)頻響特性分析；

d.根據(jù)損傷等效原理，利用相對損傷譜關聯(lián)矩陣求解約束條件下的試驗場特征路面循環(huán)次數(shù)；

e.根據(jù)頻域損傷直方圖和雨流載荷譜對關聯(lián)分析結果進行評審并制定試驗場行駛規(guī)范。

3 用戶使用工況構建

本文的研究對象為某4×2 輕型箱式載貨汽車，用戶使用場景為河南鄭州及周邊城市區(qū)域，主要用途為快遞運輸，負責營業(yè)網點、分撥點、城市樞紐轉運中心之間的往返運輸，如圖2 所示。該使用場景下輕型快遞載貨汽車的使用特征明顯，因此產品研發(fā)時將全國95%的用戶使用場景進一步細分，以減輕整車質量，降低成本。

圖2 輕型快遞載貨車使用場景

汽車產品的用戶使用場景分布非常廣泛，確定典型用戶場景需要針對各地區(qū)開展廣泛調研。

本文通過對市場反饋信息及用戶使用工況進行調查，根據(jù)用戶的年行駛里程、行駛路線、維修信息等進行綜合判斷，最終選取10 位典型用戶，并在用戶車輛上安裝少量傳感器以分析用戶使用特征，主要信息包含GPS 定位信息、CAN 總線信號、軸頭加速度、車橋應變。其中10 位典型用戶1 年的運行軌跡數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 典型用戶一年內GPS熱力圖

趙禮輝等[4]以問卷調查結果為基礎，結合GPS定位數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計分析方法建立了輕型商用車的全生命周期目標里程與運行工況分布模型。本文通過對典型用戶運行數(shù)據(jù)進行深入分析并綜合市場調研數(shù)據(jù)，確定了典型用戶使用場景下的載荷狀態(tài)、路面占比及常用車速分布，如表1所示。同時，根據(jù)車輛使用年限確定用戶目標運行里程為350 000 km。

表1 典型用戶使用工況

4 采集通道

引起車輛零部件疲勞損傷的最直接因素是力與位移。在人-車-路模型中，零部件響應主要與駕駛操作習慣、車輛驅動形式、懸架狀態(tài)、結構布置、路面不平度、行駛車速、載荷分布、輪胎氣壓等相關。載荷譜測試結果與傳感器安裝位置相關，因此布置傳感器時應盡量獨立反映車輛6個自由度方向的載荷輸入，以避免多個方向載荷輸入造成的耦合影響。本文以軸頭加速度和減振器位移為頻響特性分析通道，以懸架、車橋及轉向拉桿應變?yōu)殛P聯(lián)計算通道，以車架應變?yōu)轵炞C計算通道，其中傳感器安裝位置如圖4所示，采集通道如表2所示。

圖4 傳感器安裝示意

表2 載荷譜數(shù)據(jù)采集通道

5 數(shù)據(jù)采集

5.1 用戶場景數(shù)據(jù)采集

為了消除載荷譜的不確定性和離散性，用戶數(shù)據(jù)采集里程要足夠長，確保盡量采集到用戶的真實載荷數(shù)據(jù)，尤其是極值載荷。鄭國鋒等[5]提出了基于t 檢驗的用戶典型載荷譜最少采集里程。本文根據(jù)用戶典型使用場景，按用戶實際駕駛習慣及行駛車速共采集了3 778 km 的有效用戶載荷譜數(shù)據(jù)。對采集的多組用戶載荷樣本進行單位里程偽損傷計算，通過對偽損傷值的概率密度模型進行分析，可以預估用戶使用時產生的95%置信區(qū)間下各通道偽損傷所占百分比損傷值，且累計平均偽損傷隨著里程的增加逐漸趨于穩(wěn)定并收斂，表明本次載荷譜采集里程足以表征用戶載荷的隨機性。其中，對滿載條件下國道行駛工況載荷譜以10 km 為步長進行分割并計算偽損傷，可以確定該場景下不同零部件的載荷分布情況。圖5 所示為鋼板彈簧垂向應變偽損傷分布曲線，其余零部件測點類似。

圖5 滿載條件下國道行駛工況鋼板彈簧垂向應變偽損傷分布

5.2 試驗場數(shù)據(jù)采集

車輛零部件在試驗場特征路面上的載荷頻率取決于特征路面不平度和車輛行駛速度。不同零部件對不同測試車速的敏感度和響應不同，載荷隨車速的變化呈現(xiàn)出一定的變化趨勢。馮金芝等[6]研究了試驗場條件下零部件不同測點載荷譜隨車速的變化規(guī)律。本文在進行試驗場特征路面數(shù)據(jù)采集時，考慮了試驗安全、試驗效率、試驗成本、駕乘舒適性等因素，優(yōu)化了行駛車速，為了保證損傷的一致性，數(shù)據(jù)采集時各特征路面行駛車速盡量保持恒定，車速允差為±2 km/h，如表3 所示，并進行了6次重復測量。

表3 試驗場特征路面行駛車速 km/h

6 關聯(lián)計算

6.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集完成后利用nCode Glyphwork 軟件對數(shù)據(jù)進行處理，便于后續(xù)進行頻域損傷關聯(lián)計算，主要包括去除毛刺、糾正漂移、工況截取、低通濾波等。

6.2 數(shù)據(jù)表征

目前，關聯(lián)分析方法主要包括損傷關聯(lián)、雨流關聯(lián)、頻域關聯(lián)。鄭松林等[7]在進行用戶道路與試驗場關聯(lián)時，以加速度為對象比較了雨流關聯(lián)與頻域關聯(lián)的差異。針對整車疲勞耐久試驗，損傷與頻率都是重點關注內容，因為車輛不同零部件的敏感激勵頻率不同，這是由車輛動力學特性和零部件固有頻率決定的。零部件損傷主要由路面激勵和動力總成激勵引起：路面激勵主要為低頻信號，相對損傷譜（Relative Damage Spectrum，RDS）為低頻路面激勵振動提供了一種有效的頻域損傷計算方法，僅使用5～6個直方圖塊即可描述路面激勵引起的損傷[8]；動力總成激勵主要為中高頻信號，與發(fā)動機高速旋轉相關，在相同的頻率帶寬內，疲勞損傷譜（Fatigue Damage Spectrum，F(xiàn)DS）需要計算更多的頻率點來達到相同的精度水平，而在較高頻率下，RDS方法的頻率分辨率較差，并被FDS 方法超越，這使得RDS 方法非常適用于由路面激勵引起的損傷，而FDS 方法更加適用于傳動系統(tǒng)[9]。RDS 與FDS 方法僅在濾波的選擇上有所不同，關系如圖6 所示。動力總成激勵的高頻能量一般會被發(fā)動機懸置過濾，因此針對懸架、車橋、車架等結構件的激振頻率主要由路面激勵引起。

圖6 頻域損傷譜

6.3 功率譜分析

6.3.1 用戶路面功率譜分析

用戶場景以平坦路面為主，分別對加速度、位移分析通道，鋼板彈簧、減振器、車橋、轉向拉桿應變關聯(lián)通道，車架應變驗證通道進行功率譜分析，以確定車輛在用戶典型路面上的激勵頻率范圍，測試通道頻率響應范圍均在22 Hz 以內。圖7 所示為軸頭垂向加速度、減振器位移在用戶典型路面上的功率譜曲線。

圖7 用戶典型路面軸頭垂向加速度、減振器位移功率譜

6.3.2 試驗場特征路面功率譜分析

針對全部測試通道在試驗場每種特征路面上的功率譜進行分析，確定不同零部件在不同特征路面上的激勵頻率范圍，以便選擇合適的路面進行關聯(lián)分析。圖8、圖9 所示為軸頭垂向加速度、減振器位移分別在1 號比利時路（寬頻）和1 號搓板路（窄頻）上的功率譜曲線。

圖9 1號搓板路軸頭垂向加速度、減振器位移功率譜

根據(jù)功率譜分析結果，頻域損傷計算時分成6個頻段：(0,1]Hz 為駕駛操縱頻段；(1,4]Hz 為簧上質量跳動頻段；(4,8] Hz 為中間過渡頻段；(8,20] Hz 為簧下質量跳動頻段；(20,30] Hz 為特殊路面激勵頻段；(30,50]Hz 為其他頻段。50 Hz 以上頻率對損傷沒有貢獻，計算時可以舍棄。

6.4 匹配分析

車輛零部件承受的載荷與輸入載荷基本呈比例關系，采用關聯(lián)技術將用戶復雜的道路載荷工況通過試驗場不同道路之間的組合得以復現(xiàn)，可達到加速試驗的目的[10]。不同零部件在不同特征路面上的考核程度不同，匹配分析的重點不在于預測車輛及零部件的真實疲勞壽命，而是在試驗場易于控制的環(huán)境中使車輛產生的頻域偽損傷與用戶使用場景下產生的頻域偽損傷相等，并在短時間內復現(xiàn)用戶的實際使用情況。

偽損傷計算基于Basquin經驗公式定義的SN曲線表達式為：

使用Miner法則計算累計偽損傷D：

式中，N為循環(huán)次數(shù)；S為載荷水平；ni為在特定載荷水平Si下的循環(huán)次數(shù)；α為材料常數(shù)，偽損傷計算時取1；β為SN 曲線斜率的負倒數(shù)，偽損傷計算時所有零部件取相同的材料參數(shù)，無需考慮不同零部件的材料差異，取值范圍通常為3～7，本文取β=4。

試驗場與用戶目標頻域損傷關聯(lián)方程可以表示為：

寫成矩陣形式為：

式中，A為試驗場損傷矩陣；B為用戶目標損傷矩陣；x為車場特征路面循環(huán)次數(shù)；Amnp為第m個通道第n個頻段第p個特征路面下的試車場偽損傷；Bmn為第m個通道第n個頻段下的用戶偽損傷；xp為試車場第p個特征路面循環(huán)次數(shù)；m為通道數(shù)量；n為頻段數(shù)量；p為試驗工況數(shù)量。

試驗場矩陣以直方圖形式反映各測點通道的頻域損傷特性，每列代表不同工況下的疲勞損傷，每行代表不同通道在特定頻段下的疲勞損傷，如圖10所示。

圖10 頻率損傷關聯(lián)模型

其中，總損傷保留百分比為：

式中，Amn為第m個通道第n個頻段的試車場偽損傷；Bmn為第m個通道第n個頻段的用戶偽損傷。

通道m(xù)的損傷比為：

通道m(xù)在頻段n的損傷比為：

事實上無法顧及每個零部件在每個載荷敏感方向上的損傷，為防止車輛耐久性開發(fā)出現(xiàn)欠考核或過考核的情況，試驗場總損傷保留百分比必須保持在90%～110%范圍內[11]，本文關聯(lián)分析時控制在100%±0.5%范圍內。針對單個通道，損傷比在0.5～2.0 倍范圍為優(yōu)秀，損傷比在0.3～3.0 倍范圍為良好，損傷比在0.1～10.0 倍范圍為可接受[12]，本文匹配分析時單個通道損傷比盡量控制在0.2～5.0倍范圍，各關聯(lián)通道主要工作頻段損傷比控制在0.5～2.0 倍范圍，次要頻段損傷比控制在0.2～5.0 倍范圍[13]。因此，在以垂向載荷輸入為主的試驗場特征路面，針對垂直方向敏感通道，要求損傷比控制在0.5～2.0倍范圍，該范圍同時也是試驗場每圈循環(huán)的損傷波動范圍，如果用戶損傷與試驗場損傷比能夠控制在此范圍內，即認為關聯(lián)效果很好。針對其他5 個自由度方向，為了更加貼合用戶使用工況，需要根據(jù)駕駛習慣設計專項試驗彌補特征路面的不足，如繞8字、加減速、倒車入庫、駐坡及坡道起步等，以確保其他方向載荷輸入引起的損傷比盡量控制在0.2～5.0倍范圍。

匹配分析時優(yōu)先選擇損傷較大、極值范圍合適、路線重復性好的路面，根據(jù)場地布局、運維規(guī)定及歷史經驗對特征路面進行組合，以優(yōu)化行車路線。關聯(lián)計算借助nCode 軟件TestMatch 模塊進行求解，具體流程如圖11所示。

圖11 頻域損傷關聯(lián)分析流程

6.5 匹配結果

根據(jù)損傷等效原理，試驗場匹配結果并非唯一，本文根據(jù)試驗場整車耐久性試驗實際情況共匹配確定7 種試驗方案，在總損傷保留百分比方面，7種方案互相等效，如表4 所示。其中試驗總里程為不同載荷狀態(tài)下的行駛里程之和，并包含連接路面，綜合加速系數(shù)為用戶目標里程與試驗場有效特征強化路面里程之比。

表4 試驗場耐久性試驗匹配方案

針對以上7 種試驗方案，各關聯(lián)通道的試驗場偽損傷與用戶目標偽損傷對比關系如圖12所示。

圖12 各方案關聯(lián)通道偽損傷對比關系

6.6 結果驗證

6.6.1 損傷比

針對以上7種試驗方案，關聯(lián)通道、驗證通道的試驗場偽損傷與用戶目標偽損傷之比分別如圖13、圖14 所示。經專家組評審，方案4 的偽損傷比與試驗場同一特征路面損傷離散度吻合最好，綜合考慮場地管理因素，最終確定采用方案4進行試驗。針對試驗方案4，驗證通道的試驗場偽損傷與用戶目標偽損傷對比結果如圖15所示，關聯(lián)結果達到預期目標。

圖13 關聯(lián)通道的試驗場偽損傷與用戶目標偽損傷之比

圖14 驗證通道的試驗場偽損傷與用戶目標偽損傷之比

圖15 方案4驗證通道偽損傷對比結果

6.6.2 頻域損傷直方圖

頻域偽損傷對比可以通過量化的方式驗證關聯(lián)結果有效性。針對方案4 的26 個關聯(lián)通道、156個頻域損傷直方圖塊進行對比，結果如圖16 所示。其中頻域損傷量級一致，主要頻帶損傷保留比在0.5～2.0范圍內，次要頻帶損傷保留比基本在0.2～5.0范圍內。

圖16 頻域損傷直方圖對比

6.6.3 雨流計數(shù)

雨流計數(shù)是驗證關聯(lián)結果最有效、最直接的方法。針對方案4 的26 個關聯(lián)通道雨流計數(shù)結果進行分析，發(fā)現(xiàn)一致性較好。其中轉向、懸架、車橋系統(tǒng)零部件的部分通道雨流計數(shù)結果如圖17所示，其余測點類似。

圖17 各零部件部分通道雨流計數(shù)結果

車輛耐久性試驗最終希望復現(xiàn)用戶在實際使用中可能出現(xiàn)的耐久性和可靠性質量問題，并在產品開發(fā)中予以改進，基于相對損傷譜制定的關聯(lián)用戶使用場景的整車耐久性試驗規(guī)范為開展整車耐久性評價提供了有效手段。該車型投放市場后并未發(fā)生任何結構件的異常失效故障，驗證了試驗規(guī)范的準確性。

7 結束語

本文以典型用戶實際道路載荷譜為基礎，依據(jù)頻域損傷等效原理，建立試驗場特征路面與用戶道路損傷關聯(lián)模型，通過頻域損傷直方圖和雨流分布結果可知，基于相對損傷譜制定的試驗場耐久性規(guī)范，可以充分復現(xiàn)用戶使用條件下結構每個頻段對應的損傷和整體損傷，說明耐久性規(guī)范符合用戶使用工況，能夠指導試驗工作開展。

雖然試驗場耐久性規(guī)范基于結構件的頻域損傷關聯(lián)制定，但為了充分利用試驗資源，兼顧其他功能類與性能類系統(tǒng)，可以將用戶駕駛習慣、開關鍵操作、專項工況、淋雨等內容融合到試驗規(guī)范中，相比試驗場道路耐久性試驗的目的，盡管上述問題不作為主要驗證手段，但仍需盡量考慮試驗行駛工況對用戶使用工況的覆蓋度，以便形成更加完善而全面的考核方法，制定出更加符合用戶實際使用場景且受控的試驗場行駛及操作規(guī)范。