淺談重型卡車載荷譜采集與疲勞分析

薛黎明 萬亮亮 夏德東 彭德文

摘 要：本文介紹了重型卡車載荷譜采集與數(shù)據(jù)處理流程，闡述了基于載荷譜進行疲勞損傷分析的基本原理。這對重型卡車生產(chǎn)企業(yè)建立科學有效的整車耐久試驗規(guī)范、提高整車疲勞耐久性能與產(chǎn)品市場競爭力具有重要的理論和工程應用價值。

關鍵詞：可靠性;疲勞耐久;疲勞壽命;載荷譜;疲勞損傷

0 前言

隨著我國基建和物流業(yè)的快速發(fā)展，重型卡車的銷量快速增長。疲勞耐久性對重型卡車的市場口碑極其重要，因此越來越受到重型卡車整車制造企業(yè)的重視。整車疲勞耐久試驗主要包括用戶道路試驗、試驗場強化試驗、室內臺架試驗和計算機虛擬疲勞試驗。用戶道路試驗因試驗周期長，已基本被試驗場強化試驗取代。試驗場強化試驗基于等效損傷原理，通過一系列典型強化路面對整車及零部件的疲勞耐久性進行驗證。通過采集目標用戶道路與試驗場典型強化道路載荷譜并進行疲勞損傷計算，可以得到兩種道路的相對損傷關系并制訂出與目標用戶關聯(lián)的試驗場強化試驗規(guī)范，從而達到加速試驗的目的[1]。室內臺架試驗是將加速編輯后的道路載荷譜作為輸入，通過臺架迭代獲得試驗臺架加載譜，在室內臺架上復現(xiàn)車輛在試驗場道路試驗時相同的失效和故障模式，可進一步縮短整車疲勞耐久試驗周期。計算機虛擬疲勞試驗通過建立整車多體動力學模型并運用虛擬迭代技術，將載荷譜作為輸入信號，在整車設計階段即可對整車進行虛擬疲勞分析和壽命預測[2]。因此，載荷譜是整車疲勞耐久性能研究的基礎。

本文介紹了重型卡車試驗場載荷譜采集與數(shù)據(jù)處理的基本方法，對基于載荷譜進行疲勞分析的基本原理進行了闡述。

1 采集系統(tǒng)

載荷譜采集系統(tǒng)參考表1所示。

傳感器測試點理論上越多越好，但是由于數(shù)采系統(tǒng)通道數(shù)及人力、物力、成本限制，測點選擇盡量滿足采集需要即可。如應變計信號可以直接用于整車及零部件疲勞壽命預測。加速度信號主要作為室內臺架試驗、計算機虛擬耐久試驗的迭代信號或監(jiān)控信號。車輪相對車架的垂向位移在室內臺架道路模擬試驗中應用較多。六分力信號是后續(xù)制訂軸耦合道路模擬機目標譜的重要參考信號。傳感器盡量布置在車輛關鍵部位和對路面激勵較為敏感的區(qū)域，測點位置的選取要方便布置傳感器。

在傳感器布置后，應對傳感器進行必要的保護，比如在應變片表面涂絕緣膠水，以免應變片受猛烈沖擊而損壞。在發(fā)動機或排氣系統(tǒng)附近的傳感器表面裹上幾層隔熱膠帶或使用隔熱錫紙，避免因高溫導致的傳感器損傷和測試數(shù)據(jù)不準確問題。

2 采集過程

在進行載荷譜采集前，應先了解用戶用途目標，主要包括車輛的負荷情況、行駛的道路種類、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，確定試驗場載荷譜采集程序。試驗車輛根據(jù)試驗需求配重，配重物要固定牢靠，在采集過程中不得發(fā)生晃動和顛離。

在完成采集設備和傳感器安裝調試后，由專業(yè)駕駛員駕駛試驗車輛，測試工程師隨車進行載荷譜采集，采樣率為1 024 Hz。在正式測試前應先進行預測試，以檢查設備、傳感器有無異常情況。采集過程中，駕駛員應嚴格按照路試程序駕駛車輛，測試工程師實時監(jiān)控測試信號有無異常。車輛行駛到一種強化路面時，按下邏輯開關，離開時再按一次，方便在后期根據(jù)邏輯開關信號對各路面信號進行截取?？紤]到不同用戶駕駛習慣的差異，可以由3名駕駛員駕駛試驗車輛，各采集3次。

3 數(shù)據(jù)校驗與預處理

3.1 有效性校驗

為不影響后續(xù)分析結果的準確性，應首先對采集數(shù)據(jù)的有效性進行校驗。首先，檢查車速是否符合試驗規(guī)范要求。然后對采集的時域信號進行觀察，高質量的信號曲線光滑且有一定的規(guī)律性（幅值在均值上下呈對稱分布）。軸頭加速度信號幅值一般不超過30g，安裝在車輛左右對稱位置的傳感器，信號幅值應具有較好的重合度。從頻譜上觀察，測試信號幅值一般服從正態(tài)分布，且路面激勵在80 Hz以下。將采集的9組信號從時域、頻率、幅值域進行對比，三者應該具有較好的重復性。對懸架系統(tǒng)上測得的加速度和位移信號，可通過積分數(shù)學計算相互驗證信號的有效性。

3.2 異常數(shù)據(jù)處理

載荷譜采集過程中，由于各種不確定因素干擾可能導致信號出現(xiàn)各種異常，如毛刺、趨勢項。信號中的“毛刺”一般是由于電干擾或意外的物理撞擊所引起的，其信號幅值遠大于附近點的幅值。趨勢項的產(chǎn)生一般是由采集系統(tǒng)零點漂移或溫度變化引起，其信號軸線脫離橫軸，呈直線上升或下降趨勢。毛刺與趨勢項等異常信號會導致信號失真，在后續(xù)計算過程中導致不可預知的結果[3]?？梢岳肎lyphworks模塊進行數(shù)據(jù)修正，消除信號毛刺和趨勢項。

4 疲勞分析

4.1 疲勞性能曲線（S-N曲線）

疲勞壽命估計與疲勞損傷計算主要依賴于材料的S-N曲線（圖1）。S是恒定幅值應力，N為與之對應的應力加載下疲勞件發(fā)生疲勞破壞循環(huán)次數(shù)，即壽命[4]。

4.2 Miner線性累積損傷理論

S-N曲線只能解決特定載荷的疲勞壽命計算，但事實上汽車行駛時受到的載荷是動態(tài)變化的，沒有辦法直接查詢S-N曲線來計算疲勞損傷值，于是出現(xiàn)了累積損傷理論。

根據(jù)累積損傷理論，構件在承受隨機載荷作用下工作時，其疲勞破壞是在不同幅值的應力循環(huán)作用下所造成的不同大小的損傷逐步累積的結果。Miner線性疲勞累積損傷理論是目前應用最為普遍的疲勞累積損傷理論，根據(jù)Miner理論，構件的疲勞損傷可以直線累積，總損傷量為D，當D=1時，結構發(fā)生疲勞破壞，當D≠1時，其倒數(shù)為零件可服役的次數(shù)，即其壽命。

4.3 計數(shù)法

使汽車零部件產(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)。汽車行駛過程中采集到的載荷-時間歷程，具有很大的隨機性，沒有辦法直接用于疲勞損傷的計算，必須對其進行統(tǒng)計處理。從載荷的隨機信號中統(tǒng)計識別出不同大小級別載荷循環(huán)的次數(shù)的過程叫“計數(shù)法”。目前，在國內外工程中應用最為廣泛的是雨流計數(shù)法。時域載荷數(shù)據(jù)經(jīng)過雨流計次處理，得到各種形式的累計頻次分布，稱之為載荷譜。載荷譜是一種具有統(tǒng)計特性的圖形，能從本質上反映零件的載荷變化情況。雨流計數(shù)法的過程，可以利用Glyphworks軟件完成

5 結論

本文介紹了重型卡車載荷譜采集與數(shù)據(jù)處理流程，對基于載荷譜進行整車疲勞分析的基本原理進行了闡述。載荷譜對于重型卡車這類承載運輸類車輛的疲勞耐久性能的研究非常重要。

參考文獻：

[1]江毓，王曉磊，鄭燕萍，等.與用戶使用關聯(lián)的整車耐久性試驗方案確定[J].時代汽車，2017（6）：81-83+85.

[2]謝志強，裴照地.載荷譜在汽車上的應用[J].南方農(nóng)機，

2015（8）：48+68.

[3]趙曉鵬，馮樹興，張強，等.越野汽車試驗場載荷信號的采集及預處理技術[J].汽車技術，2010（9）：38-42.

[4]LEE Y L.張然志譯.疲勞試驗測試分析理論與實踐[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011：32.