基于整車路譜的后處理系統(tǒng)振動方法研究

孫志江，楊 起，李 嵩，鄭碧穎，劉偉達

（濰柴動力空氣凈化科技有限公司，山東 濰坊 261000）

0 引言

柴油機車國六產(chǎn)品對排放的要求進一步提高。而低排放的實現(xiàn)，目前的路線為在國五發(fā)動機的基礎上，通過DOC、DPF以及SCR降低排放。在后處理復雜性提高的同時，結(jié)構(gòu)可靠性的要求也愈發(fā)的提高。整車對于后處理結(jié)構(gòu)的考核是通過如定遠試驗場、海南熱帶試驗場等整車的路試試驗場的耐久試驗，當按照一定的測試流程完成相應里程的測試，可以認為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)通過考核。但是試驗周期長，試驗費用高。而且后處理廠商很難有相應整車長時間的耐久測試。為了解決這些問題，通過研究耐久試驗場中整車耐久試驗中的后處理振動與試驗臺振動試驗的產(chǎn)品損傷情況，將試驗臺的隨機振動與試驗場的耐久路試相關(guān)聯(lián)，使得在振動臺上進行的產(chǎn)品核效果與試驗場考核驗證效果等同，在保證產(chǎn)品機械耐久考核效果的前提下，節(jié)省開發(fā)資源，縮短開發(fā)周期，并且通過仿真分析、耐久試驗場的試驗、振動臺的振動試驗相對比，確認了方法的可行性。整個流程如圖1所示。

圖1 耐久開發(fā)流程

1 數(shù)據(jù)來源

后處理產(chǎn)品常見的失效模式是在長期的使用過程中，外部封裝殼體發(fā)生脫焊、邊角開裂等情況。此種失效是在整車正常使用情況下，激勵引起的應力遠低于屈服強度，發(fā)生的應變也往往處于彈性應變范圍內(nèi)，是一種長期經(jīng)受動態(tài)載體而引起的結(jié)構(gòu)性失效。

對于安裝在車身或是車架位置的后處理系統(tǒng)來說，激勵來源主要為從車輪傳來的路面激勵，發(fā)動機變速器等機械部件工作產(chǎn)生的激勵。整車在整車行駛過程中，對于后處理系統(tǒng)來說，可以認為是寬頻隨機振動與定頻振動的疊加。此種激勵使用隨機振動疲勞試驗進行模擬是目前有效的方案。通過實際采集的振動時域信號，進行處理之后形成后處理實際全壽命損傷與振動臺隨機振動損傷的對應關(guān)系，進而形成了解耦后的單軸振動耐久試驗的方法。

車輛在實際行駛過程中，可以認為是寬帶隨機振動背景附加上定頻振動。目前采集振動來源主要有兩種方式。一種方式為實際道路采集，但是對于采集道路的定義以及不同道路的比例十分重要。另外一種方式為試驗場采集，試驗場路試為穩(wěn)態(tài)隨機激勵，試驗場中定義了不同壞路，通過車輛在試驗場行駛一段固定里程的耐久路試，通過不同強化路段對于車輛不同的激勵達到最產(chǎn)品耐久考核的目的。

兩種方式區(qū)別：第一種是從實際中得來的，但是考慮到全國不同地區(qū)的相同路況差異，不同地方采集的同一種名稱的道路，路面激勵數(shù)據(jù)均也有一定的差異，對于產(chǎn)品考核不易形成統(tǒng)一的標準，但是此種方法可以考核固定路線車輛，且與實際吻合度較好。

試驗場路試，按照統(tǒng)一的行駛規(guī)則，在相同的道路中，激勵信號一致性較好，且路試損傷比例一致。目前為了耐久性驗證采集的數(shù)據(jù)，多在路試試驗場進行采集。

2 數(shù)據(jù)采集

以海南試驗場為例子，使用某品牌車輛作為試驗車輛，搭載公司開發(fā)完成的箱式后處理產(chǎn)品。

試驗前對后處理總成以及總成的激勵來源點進行加速度傳感器的張貼，如圖2所示。

圖2 加速度傳感器張貼位置

完成后，連接采集設備LMS或是eDaQ，進行信號測試，在確認信號后，進行正式的路譜采集。同時可以增加額外的通道連接脈沖發(fā)生器，用于在實際采集中對關(guān)系的路段數(shù)據(jù)進行標記。

海南試驗場強化道路分別為比利時路、扭曲路、搓板路、卵石路、波形路、魚鱗坑路、石塊路、凸塊路等。車輛按照既定的試驗路線進行路試，同時通過脈沖發(fā)生器對應固定的路況進行標記，以方面后續(xù)處理中對于不同道路信號的處理與分離。

路譜采集試驗中，采集加速度傳感器為三向加速度傳感器，采集信號直接解耦得到X/Y/Z三個方向的加速度數(shù)據(jù)。

每次采集需進行至少2次，在時域下檢查信號采集質(zhì)量，在頻率下對比數(shù)據(jù)信號的一致性，如圖3所示。在確認信號一致性通過的情況下，完成試驗采集。

圖3 數(shù)據(jù)信號一致性對比

3 數(shù)據(jù)處理

對有效的數(shù)據(jù)進行去毛刺，去奇異點以及去漂移等。

奇異點與毛刺[1-3]均是不符合道路整車正常數(shù)據(jù)的變化的規(guī)律的點，作為異常信號點，在數(shù)據(jù)處理時候需要去掉或是通過平均值替換法，對奇異點或是毛刺信號進行替換，在不影響試驗數(shù)據(jù)處理的情況下，也可以通過直接將毛刺與奇異點剔除的方式進行處理。

完成后進行去漂移處理，對于試驗場采集路譜，數(shù)據(jù)的理論平均值應為0，但是實際采集中由于理論平均值并不為0，這就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)的漂移，如圖4所示。通過對數(shù)據(jù)相對于平均值進行修正，使得完整數(shù)據(jù)的平均值為0，修正后的信號如圖5所示。另外通過濾波的方式也可以完成對于數(shù)據(jù)的漂移修正[4-5]。

圖4 漂移信號

圖5 去除漂移后的數(shù)據(jù)

對前處理完成的數(shù)據(jù)，接下來進行損傷譜的計算。損傷計算工程多基于Miner損傷準則，根據(jù)該準則，在一段時間內(nèi)的總損傷計算公式為公式（1）。

對于后處理總成的分析頻率一般取5～1000 Hz，考慮到目前使用的高頻振動臺多為勵磁式振動臺，最低分析頻率提升至10 Hz。

基于Lalanne[6]的工作，寬頻下?lián)p傷譜的計算基于公式（2），計算出每個頻率下的損傷。

式中，Q為動態(tài)放大參數(shù)，fn為頻率，K為剛度系數(shù)，b/C為材料疲勞參數(shù)；Γ為與加速度相關(guān)的伽瑪函數(shù)。

根據(jù)公式（2），通過nCode軟件計算出全壽命的損傷，損傷譜如圖6所示。

圖6 全壽命損傷譜

損傷譜計算之后，通過公式（2）推導得到公式（3）用于計算PSD譜[7-8]。

通過公式（3）與nCode軟件計算得到的PSD譜如圖7所示。但是處理得到的PSD譜與加速時間、設計產(chǎn)品設計數(shù)目息息相關(guān)，加速系數(shù)愈大，PSD愈大，即試驗時間愈短。但是在損傷譜確定的情況下，由PSD譜與試驗時間共同決定的總激勵能量是一定的，即損傷值是固定值。

圖7 PSD譜

但是加速系數(shù)愈大，PSD愈大，同時會造成沖擊響應譜（SRS）的增大，當沖擊響應譜（SRS）或是極限響應譜（ERS）遠大于原始時域信號中提取到的沖擊響應，則試驗中產(chǎn)品的損傷與實際損傷可能出現(xiàn)不相符的狀態(tài)。因此對于試驗的加速，應充分考慮加速因子的影響。

4 考核譜制定

通過處理得到的PSD譜是不能直接用于振動試驗考核?？紤]到對于后處理同一款產(chǎn)品需要適配多寬車型，需要對考核譜進行頻率簡化、譜值強化與頻次拓展。

對于該品牌的車輛和另外一款車輛后處理振動數(shù)據(jù)均采集自海南試驗場。通過對實際采集數(shù)據(jù)處理得到的PSD譜進行對比，分析不同峰值間差值與頻域差值，對峰值點進行頻次的拓展，以適應產(chǎn)品對不同車型適配的考核，降低產(chǎn)品的考核成本，同時提高考核譜的強度，增強了考核的置信度，最終的考核譜圖8所示。三者的GRMS值分別為1.31、1.71和1.87。同時注意考核譜的增強強度，當增強過多時，雖然考核強度提高，但是如果考核過于嚴苛，產(chǎn)品的設計成本會有所提升。

圖8 最終振動臺考核使用的考核譜

5 仿真與試驗考核

考核譜制定之后，首先使用nastran或是Abaqus等軟件對總成進行風險分析，將制定好的考核譜作為激勵進行風險分析，分析得到的應力云圖（圖9）。

圖9 風險分析應力云圖

在風險分析結(jié)果中，風險等級若評判為中風險或是低風險，則可以進行實際振動試驗考核，振動試驗如圖10所示。由于材料在高溫下的力學性能會有所降低，為了模擬實際使用中的狀態(tài)，在進行振動試驗的同時，向后處理產(chǎn)品通入高溫氣體，氣體溫度根據(jù)匹配的發(fā)動機平臺不同而不同。對于該款后處理產(chǎn)品，振動時通入550℃的高溫氣體。振動時長根據(jù)處理數(shù)據(jù)的加速因子進行確定，分別進行3個方向的振動試驗。

圖10 振動臺架實際振動狀態(tài)

試驗完成后，等待產(chǎn)品冷卻之后，對產(chǎn)品進行氣密性的檢測。氣密性檢測為模擬實際使用中的最大背壓，進行保壓一段時間，檢查氣體的泄露量。該款產(chǎn)品使用的氣密性壓力為30 kPa，保持一段時間后測得的平均每分鐘的泄漏量為9.9 L/min，低于設計標準。

在氣密性結(jié)果通過后，進一步檢查產(chǎn)品外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)不發(fā)生失效的情況下，可以認為產(chǎn)品通過驗證。

對于失效產(chǎn)品，試驗后與仿真結(jié)果進行對比，分析失效部位與仿真分析得到的高應力點是否吻合，不斷端試驗進行方法修正。

該款產(chǎn)品在振動試驗中的通過了試驗，同時搭載在商用車上進行試驗場路試試驗的該款后處理，也通過了驗證。振動耐久試驗對于產(chǎn)品的考核有效。

6 結(jié)語

通過上面的理論和處理過程，可以將在整車上驗證的后處理零部件道路試驗，轉(zhuǎn)化為振動試驗臺的試驗。同時通過試驗，驗證了該方法的有效性。轉(zhuǎn)化后的振動試驗試驗在試驗室中進行，簡化了試驗過程，節(jié)省了試驗成本。