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：載荷譜對整車及零部件疲勞耐久性能的研究具有非常重要的意義，而獲取準確的載荷譜是進行疲勞耐久試驗、疲勞損傷分析和整車疲勞設計的先決條件。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。

Abstract： Load spectrum is of great significance to the study of fatigue durability of whole vehicle and parts， and obtaining accurate load spectrum is the prerequisite for fatigue durability test， fatigue damage analysis and whole vehicle fatigue design. This paper introduces the process of load spectrum acquisition and data processing of heavy truck， and expounds the basic principle of fatigue damage analysis based on load spectrum. This has important theoretical and engineering application value for heavy truck manufacturers to establish scientific and effective vehicle durability test specifications， improve vehicle fatigue durability and product market competitiveness.

關鍵詞：可靠性;疲勞耐久;疲勞壽命;載荷譜;疲勞損傷

Key words： reliability;fatoeie durability;fatigue life;load spectrum;fatigue damage

中圖分類號：U469.21? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0092-02

0? 引言

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，疲勞耐久性能對重型卡車的市場口碑極其重要，因此越來越受到整車制造企業(yè)的重視。疲勞耐久性能需要通過疲勞耐久試驗進行驗證，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(nèi)臺架試驗和計算機虛擬試驗。

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。試驗場都建有一系列典型強化路面，在較短時間內(nèi)可以得到在目標用戶道路上數(shù)年的損傷情況，從而達到加速試驗的目的[1]。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，以制訂出與目標用戶關聯(lián)的試驗場強化試驗規(guī)范。室內(nèi)臺架試驗是將加速編輯后的道路載荷譜作為輸入，通過迭代獲得試驗臺架加載譜，在臺架上復現(xiàn)車輛在道路上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，獲取準確的載荷譜是對整車進行疲勞耐久研究的基礎。

現(xiàn)階段國內(nèi)對乘用車載荷譜采集與疲勞分析的研究較多，針對重型卡車的研究相對較少。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? 采集設備簡介

1.1 采集系統(tǒng)與傳感器? 載荷譜采集系統(tǒng)與傳感器參考表1所示。

1.2 傳感器布置原則? 傳感器測點理論上越多越好，但受數(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。應變片采集的信號可以直接用于整車及零部件疲勞壽命預測，一般布置在關鍵結(jié)構件、市場反饋出現(xiàn)開裂的位置和CAE分析中應力集中點。加速度信號主要作為室內(nèi)臺架試驗、計算機虛擬耐久試驗的迭代信號或監(jiān)控信號，盡量布置在靠近輪胎中心處。車輪相對車架的垂向位移在室內(nèi)臺架試驗中應用較多。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。因此，載荷譜采集前應首先確定采集載荷譜的用途，不同的用途對于測點的選擇是有不同的側(cè)重點的。

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。車輛輪胎氣壓符合標準要求，車輛各總成、部件、附屬裝置，按規(guī)定裝配齊全。

在完成采集設備和傳感器安裝調(diào)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，采樣率設為1024Hz。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。考慮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，共采集9組數(shù)據(jù)。

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(jié)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(zhì)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80Hz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)學換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、趨勢項等。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(jié)果[3]。可以在Glyphworks模塊中進行數(shù)據(jù)修正，消除信號毛刺和趨勢項。

3.3 試驗樣本選擇? 在完成信號的校驗和預處理后，對信號進行50Hz低通加漢寧窗濾波處理，以消除高于50Hz的部分，因為此部分的振動對整車的強度和耐久性影響非常小。從多組數(shù)據(jù)中挑出采集狀態(tài)最好的，車速最穩(wěn)定的數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，用于后續(xù)疲勞損傷計算。

4? 疲勞分析

4.1 疲勞性能曲線（S-N曲線）? 疲勞壽命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]。S-N曲線可以通過大量樣件的恒定幅值應力循環(huán)加載試驗得到。工程上，通常是依據(jù)材料特性，在軟件中擬合得到它的S-N曲線。

4.2 Miner線性累積損傷理論? S-N曲線只能解決特定載荷（載荷數(shù)值明確）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，沒有辦法通過直接查詢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(jié)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(jié)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(nèi)外工程中應用最為廣泛的是雨流計數(shù)法[5]。雨流計數(shù)法的過程，可以利用Glyphworks軟件完成。

4.4 疲勞損傷計算? 經(jīng)雨流計數(shù)法處理后的應力應變信號輸入材料真實的S-N曲線中，即可進行絕對損傷計算，并進一步獲得其真實的疲勞壽命。但在工程實踐中，損傷分析的作用主要是建立用戶道路試驗、試驗場強化試驗、室內(nèi)臺架試驗、計算機虛擬耐久試驗之間的當量關系與對比零部件設變前后改善效果等，因此，這里需要導入偽損傷的概念。各種信號（包括力、力矩、位移、加速度及應變）都可認為是“廣義應力”，將“廣義應力”信號用Glyphworks雨流計數(shù)統(tǒng)計載荷與循環(huán)次數(shù)后，代入S-N 曲線（由于是做相對損傷對比，所以S-N曲線也可以是根據(jù)經(jīng)驗創(chuàng)建的），依據(jù)Miner法則進行計算，即可求得“名義壽命”或偽損傷。采用這種方法得到的絕對數(shù)值并無實際意義，主要用于對比分析。

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。雖然我國重型卡車研發(fā)與制造水平在持續(xù)不斷的向?qū)I(yè)化發(fā)展，與國外技術水平差異不斷縮小，但在疲勞耐久試驗領域還處于摸索發(fā)展階段。因此，不斷提升整車疲勞耐久性能仍是重型卡車整車制造企業(yè)需要持續(xù)研究的重要課題。

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（06）：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（08）：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（09）：38-42.

[4]張然志，譯.LEE Y L.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.

[5]祝安定，劉康，陳金赟，等.基于雨流計數(shù)的汽車試驗場路面強化關系研究[J].合肥工業(yè)大學學報（自然科學版），2013，36（12）：1418-1421.