李　偉，端木瓊，趙成剛

（中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津　300300）

?

基于相對疲勞損傷譜的整車疲勞耐久試驗加速方法研究

李偉，端木瓊，趙成剛

（中國汽車技術研究中心汽車工程研究院，天津300300）

摘要：提出一種基于相對疲勞損傷譜的疲勞耐久試驗加速方法。以某轎車為研究對象，在試驗場采集軸頭加速度信號和減振器位移信號，以結構耐久性試驗程序的相對疲勞損傷譜為目標，通過優(yōu)化算法對試驗程序進行優(yōu)化，在保證相對疲勞損傷譜一致前提下，最大限度地縮短試驗周期。

關鍵詞：整車疲勞；耐久試驗；相對疲勞損傷譜；加速方法

1　概　述

在整車開發(fā)流程中，車輛的疲勞耐久性是廠商重點關注的性能指標，直接影響到客戶的滿意度和車輛的三包成本。目前，對整車疲勞耐久性的考核方法有多種，主要分為實車路試和試驗室道路模擬試驗[1]。

試驗場工況是評估車輛疲勞耐久性能的重要依據，它集成了對整車造成較大疲勞損傷的各種極端工況。典型的試驗場工況主要有：鐵軌交叉、搓板路、砂石路、比利時路、坑洞路、越野路、鄉(xiāng)村公路等。每一種工況都是車輛真實使用情況的濃縮，通過加大路面強度實現疲勞損傷的累計。

試驗室臺架試驗是通過對試驗場各種工況的載荷譜采集，將車輛的受力情況從試驗場轉移到試驗室內，用液壓伺服系統(tǒng)模擬并執(zhí)行耐久性評估測試，使臺架模擬試驗與試驗場工況評估具有相同的疲勞損傷[2]。相對于實車路試，其主要優(yōu)勢如下：

1）測試條件一致，試驗結果客觀，避免人員操作習慣造成結果差異。

2）不受天氣影響，可以進行全天候24 h試驗，同時試驗室具有相對較高的保密等級。

3）待多數缺陷已經發(fā)現并改進后，再進行路試，保證測試人員的安全。

4）最為重要的一點是，能夠在保證相對疲勞損傷一致的前提下，通過對試驗場工況的優(yōu)化組合縮短疲勞耐久驗證周期。

2　試驗加速方法的理論基礎

2.1振動激勵的來源

試驗車在進行疲勞耐久性考核過程中，造成損傷的激勵源主要來自路面激勵和自身動力總成的激勵。路面激勵主要是32 Hz以下的低頻成分，它主要受路面狀態(tài)、輪胎狀態(tài)、車輪的動平衡和懸架系統(tǒng)的動態(tài)特性決定；動力總成的激勵主要是分布在10 Hz～500 Hz范圍內的中高頻成分，主要由發(fā)動機的高速轉動產生。路面激勵是重點關注的對象[3]。

2.2試驗加速方法分析

試驗加速主要目的是用較短的時間驗證產品在正常使用狀態(tài)下的壽命。因此，試驗樣件的失效模式必須相同，所執(zhí)行的試驗加速方法才具有意義。通常加速耐久試驗的方法有三種：頻域加速、應力加速和信號壓縮。這些方法都能有效縮短測試時間并降低成本，但每種方法都有其缺點。

1）頻域信號加速以頻率為參考量，對信號進行編輯。在疲勞耐久試驗中，共振頻率范圍往往對樣件的疲勞損傷貢獻最大，所以在頻域加速過程中保留共振頻率十分重要。刪除低損傷頻域段，能有效縮短驗證時間。但增加試驗頻率，往往造成樣件中橡膠件的提前破壞。

2）應力加速通常增加試驗載荷的振幅，提高加載的疲勞損傷等級，以縮短試驗時間。但這種方式可能導致失效方式的改變，如使高周疲勞變?yōu)榈椭芷赱4]。

3）信號壓縮方法去除路譜信號中的連接路面，或以某損傷值為閥值，去除對損傷貢獻較小的小振幅數據以縮短試驗驗證時間。這種方法對坑洼路、鐵軌交叉路等瞬時高損傷工況比較有效，但對于卵石路、比利時路等接近于白噪聲的信號往往會刪除一些有效數據。

因此，在總結以上試驗加速方法的基礎上，本文以相對損傷譜（RDS）為研究目標，提出一種綜合的試驗加速方法。

2.3RDS和FDS方法

相對疲勞損傷譜（RDS）和疲勞損傷譜（FDS）都是討論疲勞損傷與頻率的關系，輸入信號可以是加速度，也可以是位移。當使用加速度信號作為輸入時，需要對加速度時域信號進行2次積分，推導出對應的位移值，這個位移值是與加載載荷和疲勞損傷相關的[5]。

對整車的疲勞耐久試驗，損傷和頻率都是重點關注內容，因為車輛中不同樣件的敏感激勵頻率不同，這是由車輛動力學和樣件的固有頻率決定的；激勵路譜的頻率范圍是由路面狀態(tài)和測試車速共同決定的。

RDS之所以叫相對疲勞損傷譜是因為整車由不同的材料組成。不同材料SN曲線統(tǒng)計時材料特性不同，本算法計算疲勞損傷時取相對平均結果，統(tǒng)計的是特定工況路譜對樣件的平均疲勞損傷效果。RDS為低頻振動提供了一個有效的方法，它能夠把一種路面的損傷狀態(tài)劃分為5～6個小的頻域范圍，它的計算流程如圖1所示。圖1中，將0～32 Hz劃分為5個頻帶，分別進行雨流統(tǒng)計繪制出疲勞損傷關于頻率的直方圖。截止頻率之所以定為32 Hz是由路面激勵低頻特性決定的[6]。

在同樣頻率范圍內，FDS需要劃分更多的頻率計算點，以達到相同的精確程度。在處理高頻信號時，FDS比RDS更具有優(yōu)勢，因為RDS受限于過低的頻譜分辨率，這樣的特性決定了RDS適用于路譜激勵的疲勞損傷計算，而FDS則更適用于動力總成激勵造成的疲勞損傷。本文采用RDS疲勞損傷譜的方法。

3　基于RDS的試驗加速方法的實現

疲勞耐久試驗加速方法的實現是基于損傷線性累計原理，試驗場路譜矩陣[PG]以直方圖的形式反映試驗場各種路況的損傷特性，如圖2所示。每一列代表固定配重和固定車速狀態(tài)下采集的一種路況的疲勞損傷。每一列代表數據處理頻帶的劃分。目標矢量[Target]代表整車耐久需要考核的目標損傷量[7]；系數[Repeats]代表[PG]需要多少次循環(huán)能夠實現目標損傷，如公式（1）所示。

使用最小二乘法使相對疲勞損傷計算值與目標值盡可能趨近，如公式（2）所示。

每種路況Repeats的值大于等于零。

3.1路譜數據采集

因為使用輪胎耦合四通道道路模擬試驗臺驗證整車的疲勞耐久性能，因此需要采集車輛軸頭Z向加速度和軸頭到車身的相對位移量。因為加速度傳感器具有比較差的低頻響應，如果對頻率處理不當，在采集信號中引入錯誤信息，會對采集車速和路面情況造成干擾。因此，在大多數情況下，對加速度進行二重積分計算出位移，是一個更好的辦法，因為它是與載荷成正比，能夠為RDS計算提供一個有效的輸入[8]。

軸頭加速度信號用于疲勞損傷計算，位移信號用于數據關聯(lián)。在北京通縣試驗場采集各種耐久路況加速度信號作為數據源。

3.2加速度數據的分析和計算

對軸頭加速度信號進行RSD相對疲勞損傷統(tǒng)計，與目標譜進行對比優(yōu)化計算，縮短試驗驗證周期。試驗過程加速應遵循以下原則：加速后的試驗失效模式應與目標路譜組合的失效模式一致；加速后的試驗譜不應出現不切實際異常高的載荷；在合理的加速前提下，盡可能縮短試驗時間。

加速度數據處理過程如下：

1）將試驗場采集的加速度信號進行預處理，去除尖峰、毛刺、零點漂移和其它異常信號，同時去除連接路面等低損傷數據。

2）利用nCode數據處理軟件，進行各種路況在試驗配重和車速狀態(tài)下的RDS相對疲勞損傷進行雨流統(tǒng)計。本論文中以鋼筋路、鵝卵石路、砂石路和輕比利時路為例進行計算[9]。計算流程如圖3所示。

3）依照試驗場規(guī)范，將鋼筋路、鵝卵石路、砂石路和輕比利時路各跑50個循環(huán)，試驗時間為9.63 h，計算4種路況各50個循環(huán)產生的RDS疲勞損傷譜[10]，結果如圖4所示。

4）如上所述，應用公式（1），計算優(yōu)化后保證RDS損傷效果一致的前提下4種工況的循環(huán)次數，計算過程如圖5所示，加速優(yōu)化前/后結果如表1所示。

表1　加速前/后目標路譜循環(huán)次數

如上表所示，加速優(yōu)化后的目標循環(huán)數由200次變?yōu)?30次，不再需要鋼筋路和鵝卵石路；目標時間由9.63 h變?yōu)?.41 h。在保證損傷等效的基礎上，大大地縮短了試驗驗證時間，節(jié)約了成本。

5）加速前后相對損傷值的對比如圖6所示。兩條線段分別代表目標譜在每個頻域范圍內RDS相對損傷譜和試驗加速后新的循環(huán)組合在每個頻域范圍內RDS

相對損傷譜，對比后一致性較好。圖中三角符號代表砂石路在相應頻段內損傷貢獻量；圓形符號代表比利時路在相應頻段內損傷貢獻量。因此，得出結論：鋼筋路和鵝卵石路對RDS相對損傷量貢獻較小。

4　結論

采用RDS加速試驗的方法相比于傳統(tǒng)的切除低損傷數據等加速方法是一種更加全局系統(tǒng)化的方法。本文通過四立柱疲勞耐久試驗臺進行驗證，在保證損傷考核一致的前提下，試驗時間縮短約32%，縮短了研發(fā)驗證周期。同時，結合試驗室特點，本方法經過實際驗證是一種高效可靠的試驗方法，可以將其進行完善后推廣應用到整車27通道軸耦合疲勞耐久試驗臺和MASTTABLE多自由度零部件疲勞耐久試驗臺，為提升試驗效率，節(jié)約試驗成本做出相應的貢獻。

參考文獻：

[1]林根源.應用路況模擬技術進行車輛耐久性驗證與舒適性評估研究[D].臺北：國立中央大學.1999.

[2]酈明，郭魯比希奇V，費雪皚G，等.汽車抗疲勞設計[M].合肥：中國科學技術大學出版社，1995：82-91.

[3]李紀雄，羅朝輝.基于等效試車原理的汽車可靠性試驗規(guī)范的開發(fā)[J].汽車工程，2011，33（11）：16-19.

[4]嚴家武，徐東輝.基于頻域加速理論的SCR耐久性開發(fā)研究[J].重型汽車，2009（4）：19-22．

[5]李玉龍，彭劍，李新田.整車道路耐久試驗的研究[J].機械，2013，40（3）：15-27.

[6]盧來潔，馬愛軍，馮雪梅.沖擊響應譜試驗規(guī)范述評[J].振動與沖擊，2002，21（2）：18-20.

[7]俞曉輝，韓偉，溫奇?zhèn)?基于頻域加速的冷卻模塊振動試驗研究[J].汽車零部件.2015，4（4）：33-36.

[8]方紅燕.汽車可靠性耐久試驗道路研究[J].汽車與配件，2008 （44）：36-39.

[9] nCode International Ltd.The nCode Book of Fatigue Theory[G]. 1998．

[10] Accelerated Testing Theory and User Manual. HBM-nCode GlyphWorks Product Documentation[K].2008.

修改稿日期：2015-08-24

Study on Acceleration Method for Vehicle Durability Test Based on Relative Fatigue Damage Spectrum

Li Wei, Duan Muqiong, Zhao Chenggang
(Automobile Engineering Research Institute, China Automotive Technology&Research Center, Tianjin 300300, China)

Abstract：The authors propose a durability test acceleration method based on relative fatigue damage spectrum （RDS）. Taking a vehicle as the research object, they acquire the spindle acceleration signal and shock-absorber displacement signal. Theytake the RDSofstructural durabilitytest procedures as a target tooptimize the test procedure through optimizingalgorithm. And under the premise ofguaranteeingthe RDSconsistent, theytrytoshorten the test cycle as possible.

Key words:vehicle fatigue; durabilitytest; relative fatigue damage spectrum（RDS）; acceleration method

中圖分類號：U467.4+97

文獻標志碼：A

文章編號：1006-3331（2016）02-0046-03

作者簡介：李偉（1977-），男，工程師；發(fā)展部副主任；主要從事汽車耐久性能開發(fā)工作。