载荷谱采集与编辑

同济大学汽车实验室
汽车零部件单级、多级载荷试验
纵向力疲劳试验： 载荷：1.33±8.95kN 循环次数：75000次； 频率：2Hz 侧向力疲劳试验： 载荷：5.85±5.44kN 循环次数：200000次； 频率：2Hz 垂向力疲劳试验： (1) 低载：7.33±7.33kN； 循环次数：300000次； 频率：2Hz； (2) 高载：8.79±8.79kN; 循环次数：100000次; 频率：2Hz
车辆传感器布置—加速度传感器
左后上
左前上
左后下
左前下
右后上
右前上
右后下
右前下
车辆传感器布置—加速度传感器
采谱零部件标定
同济大学汽车实验室
采谱零部件标定
力-应变关系
3000 2000 1000
2500 2000 1500
位移-应变关系
y = 21.08x - 33.71 R² = 0.998
y = -329.9x - 404.4 R² = 0.962
理论上：随机过程总体检验； 工程上：把单个时间历程记录分若干段，每段的统计特征 此一样的随机信号。
载荷谱采集与编辑
载荷谱信号的统计
同济大学汽车实验室
载荷信号的幅值直方图
1.幅值直方图：是载荷谱研究及寿命预估中用得最 多的一种幅值分布表示法。
有三种常用方法： 1） 幅值频次图 横坐标——幅值 纵坐标——出现的次数
方法机理：机件的疲劳损伤主要取决于载荷变化的大小。
振程：载荷时间历程相邻峰谷间的距离。
(1)简单振程计数法（Range） 不考虑该振程距
零载荷的距离，
仅统计相邻峰值 与谷值之间的距 离。 忽略了载荷 的静态分量。
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振程计数法（振程均值计数法）
(2)振程均值计数(Range Mean) 不仅统计振程 ri ，也统计该 振程中点至载荷零点距离mi。
载荷谱采集与编辑
载荷谱的用途
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载荷谱采集在仿真计算中的应用
支持仿真计算部门工作
•
• •
提供计算所需载荷数据
验证计算模型的准确性 验证计算结果的有效性
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载荷谱采集在试验中应用
建立道路 试验规范
建立试验室 试验规范
虚拟试验边 界条件
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载荷谱采集与编辑
构成
包括高速环形跑道、高速直线跑道、可靠性强化试验 路段、耐久性试验跑道、爬坡试验路以及特殊试验路段 （如噪声试验路段、“比利时路”、搓板路、随机波形 路、扭曲路、越野路、涉水路等）。
中国四大公共试车场
名称 地点 面积 (Km2) 时间 设计功能 主要道路设施及技术指标
海南汽车试 验场
海南嘉 积
0.72
用户道路状况进行强化集中 通过有限的典型路况模拟用户道路 缩短耐久性试验周期 对比性、重复性好
开发性试验
为室内等效试验提供原始载荷谱 为用户等效道路载荷谱计算提供载荷数据 为整车和零部件设计开发提供载荷数据
试车场典型道路构成
目的
重现汽车使用过程中遇到的各种道路条件和使用条件， 进行汽车整车道路试验的场所，为满足汽车的试验要求 试验场将实际存在的各种道路经过集中、浓缩、不失真 地强化形成典型化的道路。
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雨流计数法基本考虑
宏观上：结构承载后宏观上应力水平虽处在弹性范围； 微观上：由于材料的局部缺陷、加工和制造上的一些问题 等原因，使机件上局部存在裂纹源、或受载后产生裂纹源 。裂纹源处产生集中应力，它往往超过材料的弹性极限而 进入塑性区。机件承受循环载荷时，局部应力应变不再存 在线性关系，应变总是迟后于应力，从而形成应力应变迟 滞回线。 雨流法特点，载荷幅值计数将这些迟滞回线的大小幅值和 大小循环都记录下来进行统计。
搓板路
共振路I
共振路II
共振路III
载荷谱采集与编辑
载荷谱采集 （信号采集系统）
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试验车辆传感器布置
车辆传感器布置—六分力车轮载荷传感器
车辆传感器布置—应变传感器（底盘）
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车辆传感器布置—应变传感器（底盘）
车辆传感器布置—应变传感器（车身）
车辆传感器布置—位移传感器
原则
反映用户道路状况 反映用户车辆状态 反映驾驶员驾驶特性 代表性与典型性
5%
5%
高速公路 一般道路 山路 恶劣道路 40%
50%
欧洲用户道路（Ford重卡） 10%
高速公路 一般道路 城市道路
30% 60%
载荷谱采集与编辑
载荷谱采集 （试车场）
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试车场道路试验
试验特点
雨流计数法
计数规则 雨流从每个峰内侧开始顺斜坡下流，在下一个峰 值处落下，直到对面有一个比开始点更大的峰时 为止； 当雨流遇到来自上层斜面落下的雨流时就截止； 按上述规定取出所有全循环并记下幅值，直到剩 下的时历成为发散收敛型； 将剩下的发散收敛型时历变成收敛发散型，再重 复计数。
东风汽车工 程研究院汽 车试验场
湖北襄 樊
1.67
1992
交通部公路 交通试验场
北京通 县
2.39
1997
汽车认证试验、法规试验 、商检试验、道路抗滑试 验、碰撞试验、道路疲劳 试验
• 国内其他试车场 • 试车场与环境气候条件
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试车场典型道路构成
试车场典型道路
蛇形卵石路
石块路
沙石路
1987
汽车产品开发及定型试验 、汽车质量评价 军用民用汽车选型、定型 试验；进口汽车结构性能 评价试验；汽车质量评价 试验 汽车认证试验、法规试验 、商检试验、汽车产品开 发试验
高速环道：长6.042km，水泥混凝土路面；可 靠性试验路：总长8.215km，其中包括比利时 路(0.6km)、砂石路(4km)、卵石路等。
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应力-应变迟滞回归线: 大循环1-2-4-5-7, 小循环2-3-2’,5-6-5’, 思考：如果能将这三个循环的幅 值都记录下来，既保留大循环， 又不因切割它的小循环而受影 响，并且也不丢失小循环。
2014-7-31 50
按雨流法所记录的循环幅 值来预估机件寿命，将与 实际载荷所决定的寿命相 等效。
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载荷信号的幅值直方图

n1 P(x 1 ) N
ˆ ( x1 ) l im p
P ( x1 ) x 0 x
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载荷信号的幅值直方图
三种幅值直方图在形 状上是一样的，区别仅 在于纵坐标的物理含义 不同。 当Δx=0时可得到载 荷的概率密度函数曲 线，如图虚线所示。
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载荷信号的累积频次图
2. 幅值累计频次图 横坐标——幅值出现的累积次数（多以对数标 尺） 纵坐标——幅值 通常累计频次按幅值 由大到小累加； 当Δx→0时，则表现 为一根连续的曲线。
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载荷信号的累积频次图
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载荷分析中的一次采样和二次采样
一次采样：信号采集并离散成数据序列的过程。
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载荷谱外推
目标信号
等效信号
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载荷谱采集与编辑
载荷谱的应用简介
同济大学汽车实验室
整车耐久性试验
车桥耐久性试验
零部件总成耐久性试验
整车耐久性试验
整车耐久性试验
零部件耐久性试验
谢谢
同济大学汽车实验室
载荷谱采集与编辑
周 鋐
同济大学汽车学院
载荷谱采集与编辑
汽车载荷谱的定义
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两个基本概念
疲劳破坏 车辆在行驶过程中，由于路面不平度的激励输 入，各个部件受到随机的交变载荷作用，导致部 件产生微裂纹并扩展，直至部件突然断裂的现象. 载荷谱 外部载荷的时间历程作用在结构上，引起结构的 响应，响应信号一般包括应力应变、加速度、位 移、力和力矩等，响应的时间历程经过分析处理 ，得到各种形式的累计频次分布、统计特性、频 域特性、幅值域与雨流矩阵等以数据、曲线、图 表表达的载荷信息。
雨流计数法
雨流计数法（又叫塔顶法）有较严密的力学基础 ，是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的 一种计数方法。 (1)基本假设：大振程的封闭迟滞回线不受较小应 力循环迟滞回线截断。 (2)方法：将较小的迟滞循环从时历中取出，并形 成新时历；每取一个循环时历重新组合。
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二次采样：从数据序列中找出载荷变化幅值大小 并计数，称为二次采样，即幅值计数法。它能反 映机件疲劳损伤程度。 主要的计数法有四种
峰值计数法(Peak count),
振程计数法(Range count),
雨流计数法(Rainflow Counting)。
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峰值计数法
1000 500
0 -4 -2 -1000 0 2
-10
-8
-6
0 -500 0 20 40 60 80 100 120
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载荷谱采集与编辑
采集信号的编辑
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载荷谱采集与编辑
载荷谱信号的检验
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载荷谱信号处理分析
消除奇异值
毛刺
消除趋势向
稳态性检验(平稳性检验)
雨流计数法
载荷谱采集与编辑
载荷谱信号统计的应用
同济大学汽车实验室
载荷谱统计的应用
等幅值加载
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Miner 线性损伤累积理论
线性损伤累积理论(Miner) 1个等级为Si循环的损伤贡献： 累积损伤＝所有循环的损伤贡献： 失效准则：
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汽车零部件单级、多级载荷试验
假设：试车场xxxxxKm的损伤总和为1

Flow Flow Rain Flow Rain Rain a1 a 2 Matrix a n Matrix Matrix curve be lg ian skew 3 E 006 km
解放军速环道：长4km，水泥混凝土路面；综合可 靠性试验路：11km；越野试验路：10km；耐 久性试验路：6.6km；
高速环道：长5.3km，水泥混凝土路面；耐久 性及可靠性试验路：11km，其中包括标准坡 道、二号环道(4.2km)、比利时环道(2.7km) 、综合路、涉水池、溅水池等。 高速环道：长5.505km，水泥混凝土路面；可 靠性试验路：3km；耐久性试验路：8.6km； 长直线性能试验路：2.3km；不同摩擦系数试 验路：2.6km；交通工程广场（直径100m）； 标准坡道；碰撞试验场等。
全峰值计数法 对所有峰、谷进行统 计计数。
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部分峰值计数法
大于 x只计正峰值，小 于 x 只计负峰值(谷值)，
分别画出直方图。
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跨均值峰值计数法
只统计往返跨
越均值两次的
最大正峰、负
峰值,而对其间
的过渡峰则忽
略不计。
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振程计数法（简单振程计数法）
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整车或道路模拟载荷试验
原始信号
手工删除
RPfilter
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汽车车头道路模拟试验
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汽车车桥道路模拟试验
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载荷谱外推
原 始 载 荷 谱
外 推 载 荷 谱
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载荷谱外推
试车场 道路组合
用户道路xx 万公里载荷谱
Rain Flow Matrix
载荷谱采集 （用户道路）
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用户道路载荷试验
用户试验特点
反映用户实际使用工况 考察整车各项性能 采集用户道路载荷谱信息
用户信息收集
收集用户道路载荷谱信息 用户使用情况跟踪调查 为耐久性加速强化试验创造条件
用户道路典型路况
用户道路试验方案的确定
华东地区用户道路(SVW)
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振程计数法（振程对均值计数法）
(3)振程对均值计数 (Range Pair Mean Method) 先取较小ri 与mi，并将ri、mi 从时间历程中消去；再从剩下
的时间历程中取小的，依次类
推，直至采完。 这种方法考虑到局部载荷循环
又考虑到大的载荷循环，比较
合理。