基于Ncode Glyphworks的穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)方法的研究

關(guān)鍵詞：穩(wěn)定桿；Ncode Glyphworks ；偽損傷；耐久試驗(yàn)

0 引言

汽車零部件疲勞耐久試驗(yàn)是車輛研發(fā)前期過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，各大主機(jī)廠通過前期的零部件疲勞耐久試驗(yàn)可以提前預(yù)判整車在強(qiáng)化道路耐久試驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)的問題，提前解決，降低研發(fā)成本，加快研發(fā)周期，因此汽車零部件疲勞耐久試驗(yàn)的準(zhǔn)確度在整個(gè)車輛研發(fā)過程中尤為重要。大多數(shù)主機(jī)廠在研發(fā)前期，都會(huì)采用四立柱輪耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)、24 通道軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)、12通道軸耦合道路模擬試驗(yàn)臺(tái)來模擬零部件或整車在強(qiáng)化道路耐久試驗(yàn)場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，其原理是通過采集整車或者零部件在強(qiáng)化道路上的載荷譜數(shù)據(jù)，在道路模擬臺(tái)架上迭代，使得整車或者零部件載荷譜信號(hào)在臺(tái)架上的響應(yīng)與路試上的響應(yīng)在一定的誤差范圍內(nèi)，所以采集道路模擬試驗(yàn)臺(tái)架可以預(yù)判整車或零部件在后面路試中會(huì)出現(xiàn)的各種問題。況且做道路模擬試驗(yàn)的試驗(yàn)周期相對(duì)于零部件試驗(yàn)也比較長，而且如果針對(duì)某個(gè)零件的疲勞耐久試驗(yàn)，采用道路模擬臺(tái)架也會(huì)占用資源，耗費(fèi)人力物力，所以研究出一種與路試等效的零部件疲勞試驗(yàn)方法顯得十分有必要。

本文基于Ncode Glyphworks 軟件，結(jié)合某車型在路試場(chǎng)開裂的前穩(wěn)定桿零件，研究出一種穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)方法，該方法適用于定頻、定幅的液壓試驗(yàn)臺(tái)架，且其能夠復(fù)現(xiàn)穩(wěn)定桿在路試故障，具有較高的試驗(yàn)精度。該試驗(yàn)方法主要有以下幾個(gè)主要步驟：①根據(jù)穩(wěn)定桿的受力分析，選擇合適應(yīng)變片，在其應(yīng)力集中點(diǎn)粘貼應(yīng)變片，然后通過設(shè)計(jì)工裝，結(jié)合液壓線性油缸，搭建穩(wěn)定桿標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)架，最后基于Ncode Glyphworks 軟件擬合出位移與應(yīng)變的關(guān)系曲線；②制定路譜采集方案到強(qiáng)化道路耐久試驗(yàn)場(chǎng)采集穩(wěn)定桿的應(yīng)變載荷譜數(shù)據(jù)；③通過損傷等效原理[2]，基于Ncode Glyphworks 軟件計(jì)算出穩(wěn)定桿的等效疲勞試驗(yàn)載荷；④根據(jù)得到的疲勞耐久試驗(yàn)載荷開展試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與路試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

1 標(biāo)定穩(wěn)定桿

1.1 穩(wěn)定桿應(yīng)變片的粘貼

零部件的應(yīng)變片粘貼是根據(jù)零部件在車上的受力特點(diǎn)選擇相應(yīng)的應(yīng)變片，穩(wěn)定桿在車上主要是受到扭轉(zhuǎn)的力，所以我們選擇用于檢測(cè)扭轉(zhuǎn)的剪切片，而粘貼位置一般是零部件的應(yīng)力集中點(diǎn)，根據(jù)穩(wěn)定桿受力特點(diǎn)，我們知道穩(wěn)定桿的應(yīng)力集中點(diǎn)在穩(wěn)定桿的中間位置。剪切片信息如表1 所示。

應(yīng)變片粘貼[3] 需要按照以下幾個(gè)步驟：①選擇應(yīng)變片；②去除銹跡、涂漆等；③對(duì)粘貼面脫脂并清潔；④決定粘貼位置；⑤涂抹粘貼劑；⑥粘貼應(yīng)變片；⑦按壓應(yīng)變片；⑧粘貼結(jié)束。穩(wěn)定桿上的剪切片粘貼如圖1 所示。

1.2 穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)臺(tái)架的搭建

穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)臺(tái)架與其標(biāo)定臺(tái)架一致，穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)臺(tái)架需要根據(jù)穩(wěn)定桿在整車上的安裝方式，以及其受力特點(diǎn)，結(jié)合穩(wěn)定桿的數(shù)模圖設(shè)計(jì)而得到。搭建穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)臺(tái)架需要如下設(shè)備：① 2 臺(tái)MTS 線性作動(dòng)液壓油缸；②扭力扳手；③高度尺、卷尺；④ 2 個(gè)直線軸承、2 個(gè)方箱、壓塊與固定地釘若干。

穩(wěn)定桿搭建步驟如下：①搭建臺(tái)架前，手動(dòng)控制調(diào)節(jié)油缸，將油缸位移調(diào)節(jié)至0 處；②根據(jù)穩(wěn)定桿數(shù)模圖，得到穩(wěn)定桿拉桿安裝點(diǎn)的距離，根據(jù)該距離調(diào)好兩油缸的間距（圖2）；③給油缸安裝直線軸承，保證試驗(yàn)過程中加載方向水平；④將穩(wěn)定桿安裝在方箱上，使得穩(wěn)定桿中心位置與兩油缸中心位置在同一水平面上，最后根據(jù)數(shù)模圖，得到穩(wěn)定桿拉桿與穩(wěn)定桿的角（圖3）。根據(jù)該角度調(diào)節(jié)臺(tái)架穩(wěn)定桿與穩(wěn)定拉桿的角度，最后搭建穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)臺(tái)架如圖4 所示。

1.3 基于Ncode Glyphworks 的穩(wěn)定桿標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合

在搭建好的穩(wěn)定桿耐久試驗(yàn)臺(tái)架上標(biāo)定穩(wěn)定桿，即MTS 線性作動(dòng)液壓油缸給穩(wěn)定桿施加使得穩(wěn)定桿受扭的位移命令，MTS設(shè)備自行采集施加位移與時(shí)間的曲線數(shù)據(jù)，穩(wěn)定桿上粘貼的應(yīng)變片數(shù)據(jù)與時(shí)間曲線數(shù)據(jù)則需要連接數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行采集。本文采用HBM 的eDAQ 數(shù)據(jù)采集設(shè)備，最后基于Ncode Glyphworks根據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)擬合出應(yīng)變與位移的關(guān)系式。

1.3.1 基于Ncode Glyphworks 調(diào)整信號(hào)時(shí)域

在穩(wěn)定桿標(biāo)定過程中，我們得到了位移與時(shí)間的曲線數(shù)據(jù)、應(yīng)變與時(shí)間的曲線數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@兩組數(shù)據(jù)是兩個(gè)不同設(shè)備采集的，存在時(shí)間差。要擬合出準(zhǔn)確的應(yīng)變與位移的關(guān)系式，則要把位移信號(hào)與應(yīng)變信號(hào)的時(shí)間差去除掉，即位移信號(hào)與應(yīng)變信號(hào)同步。

基于應(yīng)變信號(hào)與位移信號(hào)是正相關(guān)關(guān)系，它們的最大值必定出現(xiàn)在同一時(shí)刻，運(yùn)用Ncode Glyphworks 軟件調(diào)整應(yīng)變與位移的時(shí)域信號(hào)，使得它們的信號(hào)同步。具體步驟如下：①對(duì)應(yīng)變信號(hào)與位移信號(hào)進(jìn)行重采樣，使得兩組信號(hào)數(shù)據(jù)具有相同的采樣頻率；②采用Ncode Glyphworks 軟件中的SimValues 模塊尋找應(yīng)變、位移信號(hào)最大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻；③采用Ncode Glyphworks 軟件中的MetaDataCalculator 模塊計(jì)算應(yīng)變、位移通道對(duì)應(yīng)最大值的時(shí)間差；④采用Ncode Glyphworks 軟件中的Extraction 模塊使通道中靠后的最大值根據(jù)上述獲取的時(shí)間差往前移，使得位移、應(yīng)變通道的最大值處于同一時(shí)刻（圖5）。

1.3.2 選取擬合區(qū)域

如圖6 所示，根據(jù)應(yīng)變、位移信號(hào)的特征，選擇合適的擬合區(qū)域，運(yùn)用Ncode Glyphworks 軟件選取合適的擬合區(qū)域。具體步驟如下：①采用Ncode Glyphworks 軟件中的TSCalculator 模塊獲取應(yīng)變、位移截取范圍的時(shí)間特征信息，因?yàn)樵跇?biāo)定過程中會(huì)存在油缸伸出、收縮的過程，所以會(huì)存在兩段符合要求的時(shí)間特征信息；②采用Ncode Glyphworks 軟件中的Scripting 模塊選擇油缸伸出對(duì)應(yīng)的時(shí)間特征信息或者油缸收縮對(duì)應(yīng)的時(shí)間特征信息；③采用Ncode Glyphworks 軟件中的GraphicEditor 模塊輸入上述的時(shí)間特征信息進(jìn)行選取擬合區(qū)域。

1.3.3 曲線擬合及結(jié)果匯總

本試驗(yàn)采用Ncode Glyphworks 軟件中的CurveFitting 模塊擬合應(yīng)變與位移的曲線，并通過Ncode Glyphworks 軟件中的MetaDataDisplay 模塊輸出曲線方程。

1.3.4 穩(wěn)定桿標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合總流程

如圖7 所示，穩(wěn)定桿標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合總流程，基于NcodeGlyphworks 的穩(wěn)定桿標(biāo)定數(shù)據(jù)擬合步驟具體如下：（1）利用Ncode Glyphworks 軟件使得位移、應(yīng)變信號(hào)時(shí)域數(shù)據(jù)對(duì)齊；（2）利用Ncode Glyphworks 軟件選取需要擬合的時(shí)間域；（3）利用Ncode Glyphworks 軟件對(duì)選擇的區(qū)域進(jìn)行擬合及結(jié)果匯總。穩(wěn)定桿標(biāo)定數(shù)據(jù)的擬合結(jié)果如圖8 所示。

2 采集穩(wěn)定桿載荷譜數(shù)據(jù)

2.1 穩(wěn)定桿載荷譜數(shù)據(jù)的采集要求

零部件的臺(tái)架耐久試驗(yàn)規(guī)范是依據(jù)整車強(qiáng)化耐久試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范制定的，因此穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)方法需要采集指定整車強(qiáng)化耐久試驗(yàn)場(chǎng)的路譜。路譜采集需要按照強(qiáng)化耐久試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)范嚴(yán)格執(zhí)行進(jìn)行，并且在采集過程需要以下要求：（1）胎壓嚴(yán)格控制在指定值；②車輛每個(gè)輪的配重誤差在5% 以內(nèi)；③采集車速誤差要求在1 km/h 以內(nèi)；④采集的強(qiáng)化耐久路面至少要求采集3 次以上。

2.2 穩(wěn)定桿路譜數(shù)據(jù)的有效性確認(rèn)

路譜采集結(jié)束，應(yīng)對(duì)穩(wěn)定桿路譜數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查。需要確認(rèn)以下信息：①路面及數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)是否完整，是否存在漏采集；②各通道是否有信號(hào)，是否有毛刺、有無斷路情況；③減速帶沖擊時(shí)，各信號(hào)是否時(shí)域一致；④平路30 km/h 勻速行駛，40 km/h 均速行駛，對(duì)比GPS 車速和車輛車速是否一致。

3 獲取穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷譜

3.1 穩(wěn)定桿路譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理

路譜采集過程中包含許多過渡路面，這些過渡路面對(duì)于穩(wěn)定桿疲勞耐久性損傷幾乎沒有貢獻(xiàn)，用Ncode Glyphworks 軟件刪除過渡路面，提取出主要的壞路。如圖9 所示，標(biāo)記顏色的區(qū)域?yàn)樗枰獎(jiǎng)h除的過渡路面，圖10 為刪除過渡路面得到的數(shù)據(jù)。

除了過渡路面外，路譜信號(hào)里面還存在一些偽損傷較小的載荷片段，為了縮短試驗(yàn)周期，需要把這些損傷較小的載荷去除掉。我們的目標(biāo)是保留穩(wěn)定桿疲勞損傷值的95% 以上，借助NcodeGlyphworks 軟件計(jì)算穩(wěn)定桿的偽損傷[4]，設(shè)置閾值，識(shí)別出損傷較小的片段，通過二次編輯刪除掉這些片段（圖11）。

編輯后的穩(wěn)定桿信號(hào)數(shù)據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)，將其最大值、最小值、偽損傷值以及其功率譜密度與原始路譜進(jìn)行對(duì)比，原則上要求其最大值、最小值不變，偽損傷值保持在95% 以上，功率譜密度損失不小于20%，最后得到穩(wěn)定桿數(shù)據(jù)如圖12 所示。

3.2 基于Ncode Glyphworks 的穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷譜的獲取

穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷譜是基于偽損傷等效，通過NcodeGlyphworks 軟件編輯穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷譜的獲取流程。

本文運(yùn)用的疲勞損傷理論是線性損傷理論[5]，具體描述即當(dāng)車輛在某段實(shí)際運(yùn)行載荷中，某載荷幅值出現(xiàn)的次數(shù)為n 1，在其零件S -N 曲線中，同一載荷對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù)為N 1，則這段運(yùn)行載荷對(duì)零件造成的損傷D =n 1/N 1。照此類推，零件在應(yīng)力水平Si 下作用ni 次循環(huán)下的損傷D 1=ni /Ni，如果在K 個(gè)應(yīng)力水平Si 作用下，經(jīng)受ni 次循環(huán)，則可定義其受到的總損傷為：

根據(jù)上述疲勞損傷理論，編輯Ncode Glyphworks 穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷譜流程（圖13）。

4 開展穩(wěn)定桿疲勞耐久試驗(yàn)

上文得到的穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷譜是應(yīng)變信號(hào)數(shù)據(jù)，在穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)方法制定過程中，需要把穩(wěn)定桿的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)成穩(wěn)定拉桿的位移信號(hào)。通過前面擬合得到的穩(wěn)定桿應(yīng)變與穩(wěn)定桿拉桿位移的曲線關(guān)系，將穩(wěn)定桿的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)成穩(wěn)定拉桿零部件臺(tái)架的位移信號(hào)，如表2所示。按照上文得到的穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)載荷譜加載進(jìn)行疲勞耐久試驗(yàn)驗(yàn)證，記錄穩(wěn)定桿失效時(shí)的循環(huán)次數(shù)，如表3 所示。穩(wěn)定桿在試驗(yàn)場(chǎng)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)耐久道路上行駛了16 101 km，襯套開裂位置如圖14 所示。

5 結(jié)束語

基于Ncode Glyphworks 研究出一種穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)方法，該方法通過在穩(wěn)定桿上粘貼應(yīng)變片，在臺(tái)架上采集位移與應(yīng)變的時(shí)間曲線，然后到強(qiáng)化道路試驗(yàn)場(chǎng)上采集穩(wěn)定桿的載荷譜數(shù)據(jù)，最后利用Ncode Glyphworks 擬合位移與應(yīng)變的曲線，運(yùn)用偽損傷等效原理，得到穩(wěn)定桿的疲勞試驗(yàn)載荷譜。

試驗(yàn)結(jié)果證明，基于Ncode Glyphworks 的穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)方法經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)架驗(yàn)證與路試結(jié)果基本一致，且臺(tái)架驗(yàn)證時(shí)間周期遠(yuǎn)小于路試，該穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)方法相比路試試驗(yàn)具有加速驗(yàn)證的效果。最后本文以穩(wěn)定桿為例開展疲勞試驗(yàn)方法研究，該方法可以借鑒到其他底盤零部件，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。