基于實(shí)測(cè)路譜的路譜重構(gòu)技術(shù)研究

黃亮，楊智

（威馬汽車科技集團(tuán)有限公司成都研究院，四川 成都 610110）

引言

隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題越來(lái)越受到各汽車車企的關(guān)注，同時(shí)，對(duì)產(chǎn)品疲勞耐久性能要求也逐步提高。在要求準(zhǔn)確評(píng)估整車耐久性能的同時(shí)，希望性能分析和驗(yàn)證時(shí)間盡量縮短。通過(guò)路譜重構(gòu)技術(shù)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)縮減為可替代整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)的某幾種特殊路面數(shù)據(jù)，利用重構(gòu)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)分析或驗(yàn)證，能夠大幅縮短開發(fā)周期，提升優(yōu)化迭代效率。

1 道路載荷譜采集

此次道路載荷譜采集試驗(yàn)車輛為滿足相應(yīng)企業(yè)規(guī)范的工程樣車，在試驗(yàn)前按照試驗(yàn)規(guī)范要求對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行檢查，確認(rèn)整車狀態(tài)參數(shù)和零部件參數(shù)滿足試驗(yàn)需求。同時(shí)在采集前根據(jù)所需通道數(shù)，在零部件相應(yīng)位置黏貼應(yīng)變片，布置加速度、位移等傳感器，試驗(yàn)車輛按照載荷要求進(jìn)行配載。信號(hào)采集過(guò)程中，為保證數(shù)據(jù)的可選擇性，各循環(huán)工況一般采集三遍重復(fù)的樣本數(shù)據(jù)，且每采集一段完整路面數(shù)據(jù)后，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性與準(zhǔn)確性，確保每次采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且可用。

2 載荷譜預(yù)處理

2.1 異常數(shù)據(jù)檢查

采集到的數(shù)據(jù)，首先應(yīng)檢查有無(wú)異常數(shù)據(jù)的出現(xiàn)。異常信號(hào)主要包括毛刺、信號(hào)漂移等。對(duì)異常信號(hào)進(jìn)行除毛刺、濾波、去漂移等處理，使測(cè)得的信號(hào)能被用于下一階段的分析。

2.1.1 毛刺信號(hào)的檢查

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到外部信號(hào)的干擾，由于隨機(jī)干擾信號(hào)的頻帶較寬，導(dǎo)致采集的離散數(shù)據(jù)會(huì)形成尖峰即毛刺。為消除這些干擾信號(hào)的影響，需要對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行毛刺的檢測(cè)并刪除。常用的毛刺檢測(cè)方法有：幅值法、微分法、統(tǒng)計(jì)法和CF（CrestFactor）法[1-2]，本方法采用比較全面的CF法。現(xiàn)假設(shè)有一個(gè)毛刺信號(hào)為Yi，為通過(guò)CF計(jì)算法檢測(cè)該信號(hào)，首先取一窗口長(zhǎng)度為L(zhǎng)（該參數(shù)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型選擇不同，可通過(guò)點(diǎn)數(shù)定義，對(duì)時(shí)間序列也可采用時(shí)間為單位），則可以通過(guò)下列公式1來(lái)計(jì)算Yi的CrestFactor：

當(dāng)滿足CF（Yi）＞CFLimit時(shí)，則判斷Yi為毛刺信號(hào)。另外，在消除毛刺信號(hào)時(shí)應(yīng)結(jié)合其他信號(hào)的相關(guān)性來(lái)確認(rèn)此信號(hào)為毛刺信號(hào)，避免將正確的信號(hào)誤認(rèn)為毛刺信號(hào)刪除而帶來(lái)誤差。

圖1 去毛刺前信號(hào)

2.1.2 漂移信號(hào)的檢查

在信號(hào)采集過(guò)程中，由于受溫度等因素的影響，可能產(chǎn)生信號(hào)的漂移，漂移信號(hào)會(huì)影響后續(xù)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，為得到準(zhǔn)確的原始采集數(shù)據(jù)，需要消除漂移信號(hào)。去除漂移信號(hào)的原理是，利用百分比數(shù)值變化的概念，計(jì)算公式如下列公式2所示。

圖2 去毛刺后信號(hào)

上述公式中，Di為某一窗口的平均值，DF為第一個(gè)窗口的平均值。設(shè)置PercentRange的值[3]，此值根據(jù)實(shí)際采集的數(shù)據(jù)而定。當(dāng)滿足：PercentChange（Pi）＞PercentRange時(shí)則認(rèn)為這一窗口存在漂移現(xiàn)象，需要對(duì)該窗口的數(shù)據(jù)進(jìn)行更正消除。如下圖3為典型的發(fā)生漂移信號(hào)的數(shù)據(jù)，圖4所示為去漂移后的信號(hào)數(shù)據(jù)。

圖3 去漂移前信號(hào)

圖4 去漂移后信號(hào)

2.2 目標(biāo)信號(hào)選取

2.2.1 目標(biāo)數(shù)據(jù)選取

在信號(hào)采集過(guò)程中，為保證信號(hào)的完整性，對(duì)同一循環(huán)工況均采集了三遍數(shù)據(jù)，需要從三個(gè)樣本數(shù)據(jù)中選擇后續(xù)用于處理的數(shù)據(jù)即目標(biāo)信號(hào)[4]。綜合比較三個(gè)樣本信號(hào)的極值，與損傷值，從中選取數(shù)值較為合理的數(shù)據(jù)樣本。如下圖所示，采集的樣本數(shù)據(jù)分別為DATA1、DATA2、DATA3，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從圖中選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)較為集中的數(shù)據(jù)樣本。下圖中，橫坐標(biāo)為數(shù)據(jù)樣本極值與平均值的比值，縱坐標(biāo)為損傷值與平均值的比值。從圖中可以看出，DATA1，DATA2的數(shù)據(jù)較為分散，綜合數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布來(lái)看，DATA3的數(shù)據(jù)較為集中，因此，該系列數(shù)據(jù)選擇DATA3作為目標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖5 損傷值與極值分布

其他各循環(huán)采用相同的方法選取對(duì)應(yīng)的目標(biāo)數(shù)據(jù)。

2.2.2 目標(biāo)信號(hào)提取

在一個(gè)數(shù)據(jù)循環(huán)中，一般包括有多種路面工況的數(shù)據(jù)，需要從中分別截取不同工況下的路譜數(shù)據(jù)。通過(guò)路譜信號(hào)中的GPS信號(hào)與邏輯開關(guān)信號(hào)來(lái)區(qū)分不同路面的起止位置，從而截取對(duì)應(yīng)路面的路譜數(shù)據(jù)。

圖6 GPS位置圖

圖7 工況截取

對(duì)應(yīng)不同路面，分別截取相關(guān)的信號(hào)，得到每個(gè)工況所對(duì)應(yīng)的路譜數(shù)據(jù)，如圖7所示，將路譜數(shù)據(jù)分割為單一工況數(shù)據(jù)并保存。

3 路譜重構(gòu)

3.1 重構(gòu)原理

在實(shí)測(cè)過(guò)程中，一般采集的路面工況數(shù)據(jù)較多，在本項(xiàng)目中，一共采集了20個(gè)工況的路面數(shù)據(jù)。但是在后期虛擬迭代過(guò)程中，為了提高計(jì)算效率，并不需要對(duì)每一種路面數(shù)據(jù)均進(jìn)行迭代。從中合理選擇部分工況數(shù)據(jù)代替采集到的20個(gè)工況路面，使得重構(gòu)的路面數(shù)據(jù)與采集的20工況路面數(shù)據(jù)等效，此過(guò)程稱之為路譜重構(gòu)或路譜等效。在路譜重構(gòu)時(shí)，主要從信號(hào)的極值、損傷值等參數(shù)來(lái)對(duì)比信號(hào)之間的差異。

3.1.1 雨流計(jì)數(shù)法

實(shí)測(cè)路譜作為隨機(jī)載荷，為了獲取內(nèi)部有效信息，需要采用統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)法得到相應(yīng)的載荷幅值和循環(huán)次數(shù)。對(duì)于同一載荷-時(shí)間歷程，采用不同的計(jì)數(shù)方法計(jì)數(shù)時(shí)，所得結(jié)果可能相差很大。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)零部件疲勞影響因素不僅是載荷幅值和循環(huán)次數(shù)，載荷的波動(dòng)順序同樣會(huì)影響零部件的疲勞壽命。為了更好地保留載荷信息，目前廣泛采用雨流統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。雨流統(tǒng)計(jì)法是建立在對(duì)封閉的應(yīng)力-應(yīng)變遲滯回線進(jìn)行逐個(gè)計(jì)數(shù)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)載荷循環(huán)中的全循環(huán)和半循環(huán)[5-6]。雨流計(jì)數(shù)原理如下圖所示，將得到的載荷-時(shí)間歷程信號(hào)旋轉(zhuǎn)90度，得到下圖所示的曲線。

圖8 雨流計(jì)數(shù)原理圖

1）假想雨流依次從載荷-時(shí)間歷程波峰或者波谷的內(nèi)測(cè)沿斜坡向下流淌；

2）起始于波谷的雨流遇到更低的谷值時(shí)停止；起始于波峰的雨流遇到比它更高的峰值時(shí)停止；

3）當(dāng)雨流遇到來(lái)自上面屋頂流下的雨時(shí)，停止流動(dòng)并記為一個(gè)循環(huán)；

4）根據(jù)雨流的起始點(diǎn)繪出各循環(huán)，記錄各個(gè)循環(huán)并記錄其峰谷值。

通過(guò)該計(jì)數(shù)方法，可以將路譜載荷數(shù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的雨流矩陣圖。

3.1.2 路面匹配理論

路面匹配理論是將采集的N種路面工況通過(guò)計(jì)算其循環(huán)次數(shù)來(lái)進(jìn)行路面匹配。即已知目標(biāo)的雨流矩陣方程后，其中包括各個(gè)路面和各個(gè)測(cè)點(diǎn)通道的雨流矩陣，通過(guò)匹配合適的循環(huán)次數(shù)，使其與既定的目標(biāo)矩陣相等。在這個(gè)過(guò)程中，需要完成路面的選擇和循環(huán)次數(shù)的計(jì)算兩個(gè)過(guò)程。如下圖所示：

圖9 路面匹配原理

3.2 重構(gòu)方法流程

通過(guò)該方法來(lái)進(jìn)行路面重構(gòu)主要在nCode軟件中來(lái)完成。重構(gòu)過(guò)程中，主要采取如下步驟：

3.2.1 極值分析

分別統(tǒng)計(jì)不同路面在各個(gè)方向上的力和力矩的分布，得到各方向的力和力矩的極值分布情況，如下圖10所示為FX的極值分布圖。從極值分布圖中挑選出極值主要分布的路面種類，重構(gòu)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注出現(xiàn)極值的路面。

圖10 FX極值分布

3.2.2 頻譜分析

對(duì)各方向的力和力矩進(jìn)行頻譜分析，得到測(cè)得的各方向的力和力矩的分布頻帶，如下圖所示分析得到FX方向頻率分布范圍。

圖11 FX頻率帶分析

3.2.3 總損傷分析

通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)路試試驗(yàn)規(guī)范，對(duì)主要分布頻帶進(jìn)行循環(huán)計(jì)算，得到各個(gè)通道在不同路面的損傷值，從而確定總損傷的目標(biāo)值。

圖12 RDS分析

3.2.4 匹配分析

通過(guò)nCode軟件的TestMatch功能可確定每個(gè)路面循環(huán)次數(shù)，根據(jù)文章3.1.2中的路面匹配理論，利用nCode軟件，可計(jì)算出每個(gè)路面的循環(huán)次數(shù)，如下表1所示，結(jié)合軟件計(jì)算結(jié)果和前期數(shù)據(jù)分析結(jié)果，合理選擇最終重構(gòu)路面的種類。

表1 工況簡(jiǎn)化結(jié)果

4 結(jié)果驗(yàn)證

重構(gòu)后的結(jié)果需要進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證來(lái)確保重構(gòu)后的結(jié)果能滿足重構(gòu)要求。主要從以下三個(gè)方面來(lái)驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.1 相對(duì)損傷值

對(duì)重構(gòu)前后的主要采集通道進(jìn)行損傷值比較，一般要求相對(duì)損傷值保留在0.5-2之間即符合要求。如下圖13雷達(dá)圖所示。

圖13 主要通道相對(duì)損傷值比較

4.2 RDS驗(yàn)證

分別計(jì)算重構(gòu)前后的損傷分布頻帶，為保證重構(gòu)前后的頻率組成不變，要求重構(gòu)后各個(gè)方向通道的損傷頻帶與重構(gòu)前的一致。如下圖14所示為右前輪WFT的Fx頻率分布對(duì)比圖。

圖14 重構(gòu)前后RF-WFT-Fx對(duì)比圖

4.3 載荷雨流分布驗(yàn)證

雨流統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)能夠反應(yīng)相應(yīng)的載荷幅值和循環(huán)次數(shù)，分別對(duì)重構(gòu)前后的力和力矩進(jìn)行雨流統(tǒng)計(jì)，比較兩者的一致性。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)重構(gòu)前后的路譜數(shù)據(jù)雨流分布基本一致，滿足重構(gòu)要求。如下圖15所示為重構(gòu)前后左前輪六分力FX的雨流分布對(duì)比圖。可以看出雨流分布整體是保持一致的。

圖15 重構(gòu)前后的FL-WFT-FX對(duì)比圖

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)路譜重構(gòu)結(jié)果的驗(yàn)證，對(duì)比分析重構(gòu)前后的路譜數(shù)據(jù)，得到路譜數(shù)據(jù)重構(gòu)后的結(jié)果符合重構(gòu)要求，滿足后續(xù)CAE分析等輸入需求，因此本文基于實(shí)測(cè)路譜的路譜重構(gòu)技術(shù)得到驗(yàn)證，該技術(shù)方法能夠用于等效實(shí)測(cè)路譜。