客车道路模拟试验与评价技术(方法)研究-CNKI

文章标题作者姓名邮编、所在省市、单位名称摘要：以客车为研究对象，对整车实测的试验场道路载荷谱进行预处理和正确性评判，确定有效载荷谱。

计算了应变片、应变花的载荷谱的主应力、Signed V on Mises应力。

基于应变伪损伤历程，进行载荷谱加速疲劳编辑。

结果表明，通过均方根统计、穿级计数、频域分析等手段，能够很好地评价载荷谱的一致性和正确性；基于损伤历程的载荷谱加速疲劳编辑方法，可以有效地缩短室内耐久试验时间，同时几乎全部地保留损伤。

关键词：客车；载荷谱；应力；疲劳编辑；损伤中途分类号：U462.3 文献标志码：AResearch on Analysis and Fatigue Editing of Bus Road Load SpectrumWu Daojun(Xiamen King Long United Automotive Industry Co., Ltd., Xiamen City, Fujian Province 361023, China) [Abstract] The measured bus road load spectrum of proving ground is pre-disposed and the correctness is evaluated, and the valid load spectrum is ascertained. The principle stress and Signed Von Mises Stress are calculated from the load of the strain rosette and gauge. The fatigue editing is finished based on the time history of the strain damage. It is proved that it is good method to evaluate the load spectrum correctness using the RMS Statistics, Level Crossing and frequency domain analysis. It is also proved that the durability test time is reduced obviously and almost all damage is kept when the fatigue editing method based on the damage history is used. [Key word] bus, load spectrum, stress, fatigue editing, damage0 引言整车道路载荷谱的获取、分析与处理是整车室内耐久性试验前的重要工作，也是整车产品开发中的重要一个环节。

整车道路载荷谱涵盖了客车整车的运动、载荷、轨迹、车速等多维信息，对试验规范制订[1]、整车产品设计评价、CAE分析的输入与验证、以及后续的室内耐久性试验等具有重要的作用和意义。

本文以客车为研究对象，首先对采集的整车在试验场道路载荷谱进行预处理；通过均方根统计、穿级计数、频域分析等手段，对数据的正确性进行评判，确定有效载荷谱。

基于应力、疲劳损伤分析理论，获得应变测点的载荷谱的主应力、Signed Von Mises应力、疲劳伪损伤。

基于应变伪损伤历程，进行载荷谱加速疲劳编辑，同时完成了对编辑方法的有效性评价。

形成了一套载荷谱的分析与疲劳编辑的流程及步骤。

1道路载荷谱采集道路载荷谱采集的测点选择应突出重点，应兼顾全面性和经济性，测点位置应对路面激励较为敏感[2]。

车轮加速度传感器布置在尽量靠近轮心的位置[3]；车身加速度传感器布置在正对车轮上方的车身位置。

加速度传感器采用胶水固定，必须足够牢靠，否则容易导致频响较差造成测试信号失真。

加速度传感器的标记方向应尽可能竖直。

路面激励引起的客车系统响应存在低频成分，故采用电容式加速度传感器为宜。

应变测点选择主要考虑：CAE分析中的热点位置、设计经验判断的危险位置、有开裂历史的位置以及关键的部位。

对于未知受力状态，应采用应变花进行测试。

采用恒压惠斯通电桥进行测试。

车轮六分力传感器（WFT ），用以测量客车轴头六分力信号，将为多体动力学分析、疲劳有限元计算、各种工况载荷分析等提供良好数据来源。

GPS 反映车速、经纬度、时间等信息，对于寻找有效载荷信号段、确定轨迹、研究工况对载荷的影响等具有重要的意义。

另外，必要时设立标记通道（Marker ），通过开关量（0和1）进一步标记、明确各个信号段的起止时刻。

2载荷谱正确性分析 2.1预处理通过GPS 、Marker 、摄像头等信号，结合载荷谱信号波形特点，选取有效载荷谱信号段。

图1 加速度载荷谱 Fig.1 Acceleration load spectrum观察时域信号，检查是否存在漂移、偏置、毛刺等异常信号。

结合路面激励频率范围，进行50Hz 的低通滤波，排除毛刺等异常信号。

通过高通滤波，可以解决漂移、偏置问题，高通滤波限值需根据时域波形的跨度时间等实际情况来判断。

2.2正确性评判2.2.1 左右测点载荷谱统计分析 均方根统计表达式如下：22221211n ni i x x x RMS x N N=+++=∑L 式中，RMS 为信号均方根值，x i 为信号值；进行四轮及车身的加速度统计计算，如表1，可以看出，左右轮、左右车身的加速度统计特性较为接近。

由于车辆左右状态差别、路况恶劣、路面较大的随机性以及局部路段的特殊性，左右信号也表现出一定的差异。

表1 车轮、车身加速度的统计对比加速度 测点 均方根 RMS 变程 Range 最大值 Max 最小值 Min 振幅因子 CrestFactor 左前轮 1.31004 19.1330 9.83846 -9.29453 7.51002 右前轮1.3882121.467811.1860-10.28178.05787左后轮 2.52352 35.5396 21.6130 -13.9266 8.56461右后轮 2.49568 34.9969 17.6917 -17.3053 7.08892左前车身0.160123 3.2578 2.10419 -1.1536 13.1411右前车身0.183689 4.35526 3.01041 -1.34485 16.3886左后车身0.158470 6.25971 3.9711 -2.2886 25.0590右后车身0.158204 7.06931 4.91667 -2.15264 31.07792.2.2穿级计数分析对四轮加速度进行穿级计数分析，如图2。

图2 穿级分析Fig.2 Level crossing穿级分析可清晰反映载荷谱各个载荷水平的局部分布情况，是良好的统计和评价工具。

从图2可以看出，前、后轴的左右轮加速度在各个水平的穿级分布呈现良好的一致性和对称性。

该统计方法实现了载荷谱的局部分布一致性评价。

2.2.3能量谱分布分析如图3，从车轮和车身左右加速度的能量谱分析结果可以看出，左右载荷的主要分布频段、能量谱分布曲线轮廓及数值大小都较为接近。

从而说明客车左右载荷谱的频域分布一致性较好。

（a）车轮加速度（b）车身加速度图3 车轮和车身加速度的能量谱Fig.3 Energy spectrum of the wheel and body acceleration综合以上几个方面的分析，较好地说明了所测载荷谱数据的正确性和有效性。

3 应力应变分析及损伤计算 3.1应力计算由应变花的三个信号计算主应力大小[4]。

结合以上结果，计算V on Mises 应力，依据1σ的符号确定Signed Von Mises 应力的符号。

进行应变花测点的Signed V on Mises 应力计算，获得相应的载荷历程。

举例如图4、5。

图4 测点4应变花信号 图5 测点4 的Signed Von Mises 应力 Fig.4 Strain rosette signal of the point 4 Fig.5 Signed Von Mises stress of the point 43.2疲劳计算理论计算疲劳寿命，常用的方法有名义应力法（S-N 法）和局部应力应变法（e-N 法）。

应变幅a ε与对应的应力幅a σ的关系式为()'1/'//(1)aanepa a a E Kεεεσσ=+=+L Le-N 曲线的数学表达式为()''(2)2(2)faace p b a if i N N Eσεεεε=+=+LS-N 曲线表达式为lg lg (3)S A B N =+L L L L L L L L LMiner 线性损伤累积表达式为11/1/()(4)lii in N D N ===∑L L L L L L L 式中，a ε为应变幅值； ea ε为弹性应变幅值；p a ε为塑性应变幅值；a σ为应力幅值；E 为弹性模量；'K 为循环强度系数；'n 为循环应变硬化指数；'f σ为疲劳强度系数；'f ε为疲劳延性系数；b 为疲劳强度指数；c 为疲劳延性指数；i n 为各载荷水平下的循环次数；i N 为各载荷水平下的疲劳寿命；S为应力幅；A、B分别为系数；N为疲劳寿命（循环次数）；D 为疲劳总损伤。

计算损伤时，名义应力法采用式（3）（4），局部应力应变法采用式（1）（2）（4）[5]。

采用伪损伤概念，利用载荷历程以及合适的材料S-N或e-N曲线，按照Miner损伤累积法则，即可计算疲劳损伤量[5]，以此作为载荷信号对结构件影响的量化依据。

3.3疲劳损伤计算与雨流分析测点4的应力载荷历程与损伤历程，如图6。

值得注意的是，相当一部分载荷信号段不产生损伤。

图6 测点4的应力和损伤历程Fig.6 Stress and damage history of point 4进行雨流累计评价分析，如图7，同时进行损伤对比，如表2。

雨流累计曲线可以很好地反映高、低变程的分布情况，从中还可见大变程的载荷循环离散度较大。

雨流累计图中，测点4（粉红）的载荷雨流累计曲线高于测点5（黄），尤其是大变程的部分。

从损伤最终的计算结果看（表2），测点4大于测点5。

图7 应变测点应力的雨流累计图Fig.7 Stress rain flow accumulation curve of the points表2 雨流累计曲线与损伤对比评判测点序号雨流累计曲线颜色损伤损伤排序雨流累计曲线外到内排序1 红 3.80E-06 5 52 蓝 1.23E-04 2 23 绿 2.48E-03 1 14 粉红 4.05E-05 3 3 5黄1.11E-0544从图7和表2看出，各个测点雨流累计曲线外到内的排序与相应的损伤排序是一致的，有良好的对应关系，雨流累计图可以实现损伤的对比和评价。