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(tài)分布）的隨機(jī)過(guò)程；根據(jù)汽車用戶市場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和少量用戶道路載荷譜樣本計(jì)算其相對(duì)損傷并作排序；然后通過(guò)服從某種分布的隨機(jī)抽樣試驗(yàn)來(lái)擬合用戶道路疲勞載荷譜分布的統(tǒng)計(jì)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(yīng)用到所有車型的耐久性規(guī)范制定中——承載系、傳動(dòng)系、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)。

關(guān)鍵詞：汽車；用戶關(guān)聯(lián)；載荷譜

1 概述

汽車試驗(yàn)場(chǎng)與用戶關(guān)聯(lián)性研究中，涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜確定，對(duì)問(wèn)題研究尤為關(guān)鍵。因此需要研究在擁有汽車用戶市場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和少量用戶道路載荷譜樣本情況下，怎么準(zhǔn)確預(yù)估汽車市場(chǎng)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(guó)內(nèi)對(duì)此問(wèn)題，還沒(méi)有公開(kāi)出版的論文和資料。LMS公司疲勞軟件Tec-Ware、nCode公司和國(guó)內(nèi)其它汽車廠家對(duì)此問(wèn)題處理尤為簡(jiǎn)單：只把用戶市場(chǎng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（如用戶不同路面百分比）進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)平均數(shù)計(jì)算或簡(jiǎn)單的隨機(jī)抽樣。美國(guó)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(chǎng)用戶道路載荷譜分布，但是在隨機(jī)數(shù)利用過(guò)程中，福特公司沒(méi)有考慮，用戶車輛載荷損傷的統(tǒng)計(jì)學(xué)分布，而是簡(jiǎn)單利用服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)，去擬合仿真汽車市場(chǎng)用戶道路載荷譜分布。汽車用戶實(shí)際使用車輛的疲勞損傷，很難確定。原因有汽車用戶地區(qū)分布分散，駕駛員操作風(fēng)格習(xí)慣千差萬(wàn)別，各地汽車行駛的路面特征也不同。成本與時(shí)間的限制，試驗(yàn)采集車輛很難做到詳盡的用戶道路載荷譜測(cè)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(yīng)力-應(yīng)變的疲勞滯回循環(huán)而引起的損傷源附近材料的反復(fù)塑性變形。每個(gè)疲勞滯回循環(huán)都給構(gòu)件造成一定量的疲勞損傷，整個(gè)時(shí)域載荷歷程總損傷可通過(guò)累加每個(gè)循環(huán)引起的損傷得到。

Dr為相對(duì)累計(jì)損傷，ni 為試驗(yàn)中雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)第 級(jí)試驗(yàn)載荷 Si（加速度g、位移mm、微應(yīng)變）作用下的循環(huán)數(shù)，dist為每個(gè)試驗(yàn)樣本對(duì)應(yīng)對(duì)的行駛里程因子。

4 用戶市場(chǎng)調(diào)查

在國(guó)內(nèi)同類車型市場(chǎng)進(jìn)行汽車用戶實(shí)際使用情況市場(chǎng)調(diào)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(zhì)量和空載質(zhì)量）進(jìn)行調(diào)查，共得到1360份有效統(tǒng)計(jì)表。應(yīng)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(jī)數(shù)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換為在（0，1）區(qū)間上服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。使得每一個(gè)隨機(jī)數(shù)與每一份用戶調(diào)查數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，如表1。

在全國(guó)典型地區(qū)路面上，用已安裝完傳感器的采集車進(jìn)行模擬汽車用戶使用情況的道路載荷樣本采集。采集過(guò)程中，分4種路面，2種載荷（滿載質(zhì)量和空載質(zhì)量）進(jìn)行試驗(yàn)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(shù)據(jù)采集儀記錄各測(cè)點(diǎn)時(shí)域信號(hào)，如圖1，部分典型路面后橋微應(yīng)變信號(hào)樣本圖。

6 用戶道路疲勞載荷譜樣本分布假設(shè)檢驗(yàn)

以后橋微應(yīng)變?yōu)槔?，首先研究用戶道路載荷譜樣本符合何種分布，然后根據(jù)此分布生成對(duì)應(yīng)的隨機(jī)數(shù)，利用蒙特卡洛方法進(jìn)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(cè)點(diǎn)用戶道路載荷譜分布。

同樣可以證明其它不同測(cè)點(diǎn)、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(tài)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(tài)分布，在應(yīng)用蒙特卡洛方法擬合仿真時(shí)，用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生服從正態(tài)分布的偽隨機(jī)數(shù)。利用用戶調(diào)查數(shù)據(jù)、采集車輛所采集的用戶道路載荷譜樣本和偽隨機(jī)數(shù)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(duì)應(yīng)的雨流循環(huán)分級(jí)數(shù)據(jù)作為后橋微應(yīng)變目標(biāo)疲勞載荷譜，如圖4和表5，其中忽略小幅值對(duì)相對(duì)損傷計(jì)算的影響。

其它位置測(cè)點(diǎn)，同樣的方法和過(guò)程擬合仿真概率分布，并最終確定90%概率所對(duì)應(yīng)的雨流循環(huán)分級(jí)數(shù)據(jù)作為其目標(biāo)疲勞載荷譜。

8 結(jié)束語(yǔ)

文章依據(jù)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(huán)雨流分級(jí)數(shù)據(jù)。為某車型可靠性考核提供了汽車用戶市場(chǎng)的疲勞載荷譜目標(biāo)數(shù)據(jù)，可以推廣到其它車型耐久性規(guī)的范制定。

參考文獻(xiàn)

[1]李亞妮.蒙特卡羅方法及其在期權(quán)定價(jià)中的應(yīng)用[D].陜西：陜西師范大學(xué)，2007.

[2]周水兵.用戶關(guān)聯(lián)汽車道路載荷譜編制的研究[D].浙江大學(xué)，2008. [3]董強(qiáng)強(qiáng).不同試驗(yàn)場(chǎng)道路對(duì)車身疲勞損傷的貢獻(xiàn)度分析研究[D].河北工程大學(xué)，2015.

[4]林曉斌.關(guān)聯(lián)用戶用途的汽車技術(shù)[J].中國(guó)機(jī)械工程，1998.

作者簡(jiǎn)介：柴保明（1964，3-），男，博士，教授，現(xiàn)任河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，副院長(zhǎng)。

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