薛黎明 萬(wàn)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(jìn)行疲勞損傷分析的基本原理。這對(duì)重型卡車生產(chǎn)企業(yè)建立科學(xué)有效的整車耐久試驗(yàn)規(guī)范、提高整車疲勞耐久性能與產(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。
關(guān)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(guó)基建和物流業(yè)的快速發(fā)展,重型卡車的銷量快速增長(zhǎng)。疲勞耐久性對(duì)重型卡車的市場(chǎng)口碑極其重要,因此越來(lái)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(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)虛擬疲勞試驗(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)強(qiáng)化試驗(yàn)基于等效損傷原理,通過(guò)一系列典型強(qiáng)化路面對(duì)整車及零部件的疲勞耐久性進(jìn)行驗(yàn)證。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)系并制訂出與目標(biāo)用戶關(guān)聯(lián)的試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化試驗(yàn)規(guī)范,從而達(dá)到加速試驗(yàn)的目的[1]。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)臺(tái)架迭代獲得試驗(yàn)臺(tái)架加載譜,在室內(nèi)臺(tái)架上復(fù)現(xiàn)車輛在試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)時(shí)相同的失效和故障模式,可進(jìn)一步縮短整車疲勞耐久試驗(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),在整車設(shè)計(jì)階段即可對(duì)整車進(jìn)行虛擬疲勞分析和壽命預(yù)測(cè)[2]。因此,載荷譜是整車疲勞耐久性能研究的基礎(chǔ)。
本文介紹了重型卡車試驗(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 采集系統(tǒng)
載荷譜采集系統(tǒng)參考表1所示。
傳感器測(cè)試點(diǎn)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(cè)點(diǎn)選擇盡量滿足采集需要即可。如應(yīng)變計(jì)信號(hào)可以直接用于整車及零部件疲勞壽命預(yù)測(cè)。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)。車輪相對(duì)車架的垂向位移在室內(nèi)臺(tái)架道路模擬試驗(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)。傳感器盡量布置在車輛關(guān)鍵部位和對(duì)路面激勵(lì)較為敏感的區(qū)域,測(cè)點(diǎn)位置的選取要方便布置傳感器。
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),主要包括車輛的負(fù)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(biāo),確定試驗(yàn)場(chǎng)載荷譜采集程序。試驗(yàn)車輛根據(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。
在完成采集設(shè)備和傳感器安裝調(diào)試后,由專業(yè)駕駛員駕駛試驗(yàn)車輛,測(cè)試工程師隨車進(jìn)行載荷譜采集,采樣率為1 024 Hz。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。車輛行駛到一種強(qiáng)化路面時(shí),按下邏輯開關(guān),離開時(shí)再按一次,方便在后期根據(jù)邏輯開關(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)車輛,各采集3次。
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)稱分布)。軸頭加速度信號(hào)幅值一般不超過(guò)30g,安裝在車輛左右對(duì)稱位置的傳感器,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80 Hz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)計(jì)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)。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,呈直線上升或下降趨勢(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]。可以利用Glyphworks模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)修正,消除信號(hào)毛刺和趨勢(shì)項(xiàng)。
4 疲勞分析
4.1 疲勞性能曲線(S-N曲線)
疲勞壽命估計(jì)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]。
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(jì)算,但事實(shí)上汽車行駛時(shí)受到的載荷是動(dòng)態(tài)變化的,沒(méi)有辦法直接查詢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(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。時(shí)域載荷數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)雨流計(jì)次處理,得到各種形式的累計(jì)頻次分布,稱之為載荷譜。載荷譜是一種具有統(tǒng)計(jì)特性的圖形,能從本質(zhì)上反映零件的載荷變化情況。雨流計(jì)數(shù)法的過(guò)程,可以利用Glyphworks軟件完成
5 結(jié)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(duì)基于載荷譜進(jìn)行整車疲勞分析的基本原理進(jìn)行了闡述。載荷譜對(duì)于重型卡車這類承載運(yùn)輸類車輛的疲勞耐久性能的研究非常重要。
參考文獻(xiàn):
[1]江毓,王曉磊,鄭燕萍,等.與用戶使用關(guān)聯(lián)的整車耐久性試驗(yàn)方案確定[J].時(shí)代汽車,2017(6):81-83+85.
[2]謝志強(qiáng),裴照地.載荷譜在汽車上的應(yīng)用[J].南方農(nóng)機(jī),
2015(8):48+68.
[3]趙曉鵬,馮樹興,張強(qiáng),等.越野汽車試驗(yàn)場(chǎng)載荷信號(hào)的采集及預(yù)處理技術(shù)[J].汽車技術(shù),2010(9):38-42.
[4]LEE Y L.張然志譯.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.