目標(biāo)用戶道路譜與試驗(yàn)場道路譜的載荷當(dāng)量等效模擬研究

1、1前言道路試驗(yàn)是汽車開發(fā)過程中不可或缺的重要階段。我國各地的道路情況差異較大,因而有必要對典型地區(qū)道路載荷譜進(jìn)行分析,找出其與試車場道路載荷譜對應(yīng)關(guān)系,為制定適合我國的試驗(yàn)譜系及規(guī)范提供理論依據(jù)和有效參數(shù)。將地區(qū)道路等效成試車場道路不同路段混合而成的組合路段,即得到地區(qū)道路與試驗(yàn)場道路載荷譜的當(dāng)量關(guān)系,就可在試車場按一定比例混合各種路面來再現(xiàn)目標(biāo)用戶地區(qū)道路載荷輸入,進(jìn)一步擴(kuò)展外推后,便可了解車輛在較長里程后的損傷情況,達(dá)到加速試驗(yàn)的目的。本文通過對后橋載荷譜的分析,根據(jù)調(diào)查確定的用戶使用道路的組成比例和里程,得出用戶道路載荷譜與試車場道路載荷譜的當(dāng)量關(guān)系,可作為產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和制定符合我國道路

2、特點(diǎn)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的參考,具有實(shí)際指導(dǎo)意義。2道路載荷譜的采集研究選擇安徽某試車場強(qiáng)化試驗(yàn)路段作為道路譜采集的試驗(yàn)道路。試驗(yàn)道路一個循環(huán)總長為6.6 km,共設(shè)16種特殊路面,包括轎車使用過程中可能遇到的各種路面狀況。為考察實(shí)際用戶使用道路與試驗(yàn)場道路間的組合關(guān)系,根據(jù)我國某汽車公司的用戶調(diào)查統(tǒng)計,確定典型地區(qū)道路分別為江蘇某地高速路段、浙江某市郊區(qū)普通瀝青路段、浙江某市山路和市區(qū)嚴(yán)重破壞瀝青路面,分別用于代表高速公路、一般道路、山路和惡劣道路1。試驗(yàn)車輛是一部裝備齊全、經(jīng)過磨合期后且車況良好的某中級轎車,為5擋手動變速器,并按要求配重。3道路載荷譜的研究調(diào)查發(fā)現(xiàn),一般用戶通過高速公路、一般道路、

3、目標(biāo)用戶道路譜與試驗(yàn)場道路譜的載荷當(dāng)量等效模擬研究吳建國周鋐陳棟華魏傳峰(同濟(jì)大學(xué)【摘要】基于實(shí)測后橋軸頭的垂向力、縱向力和測向力信號,利用載荷分析軟件,對某車型在典型地區(qū)道路和某試車場道路上實(shí)測得到的后橋載荷譜進(jìn)行疲勞特性分析,得出了各類道路經(jīng)雨流統(tǒng)計的載荷特性,進(jìn)而將試車場各路段進(jìn)行組合來等效模擬用戶使用道路。對用戶使用道路與模擬后的試車場組合路段進(jìn)行了多軸載荷損傷比較分析,驗(yàn)證了兩者間的等效關(guān)系。主題詞:載荷譜道路等效模擬多軸損傷中圖分類號:U467.1+1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-3703(200707-0021-03 Study on Road Equivalent Simu

4、lation Based on LoadingSpectrums in Customer Road and Proving GroundWu Jianguo,Zhou Hong,Chen Donghua,Wei chuanfeng(Tongji University【Abstract】This analysis is based on signals of vertical,longitudinal and lateral forces and loading-analysis software. The fatigue characteristics of different loading

5、 spectrums of a certain cars rear axle are collected and analyzed between loading spectrums in typical roads and spectrums in a certain proving ground,and get the rainflow loading characteristics of different roads.Then different roads of proving ground will be combined to simulate customer road.Mul

6、tiaxial load damages are compared between customer roads and simulated combined roads in proving ground,and validate their equivalence relationship.Key words:Loading spectrums,Road equivalent simulation,Multiaxial damages-1.78-0.540.701.94-1.160.081.32載荷/kN-1.80-1.49-1.18-0.87-0.56-0.240.070.380.691

7、.001.311.631.94031032102325103432891045933263載荷/k N循環(huán)次數(shù)8162432404856647280889681624324048566472808896tof r o m8162432404856647280889681624324048566472808896-2.81-0.112.595.29-1.461.243.94載荷/kN-2.78×100-2.11×100-1.43×100-7.82×10-1-8.95×10-2-5.83×10-11.26×1001.93

8、5;1002.80×1003.27×1003.95×1004.02×1005.29×100031032102325103432891045933263循環(huán)次數(shù)f r o mto載荷/k N81624324048566472808896031032102325103432891045933263f r o mto循環(huán)次數(shù)816243240485664728088960.023.026.029.021.524.527.52載荷/kN4.20×10-37.56×10-11.51×1002.26×1003.01&

9、#215;1003.76×1004.31×1000.27×1000.02×1000.77×1007.52×1008.27×1009.02×100載荷/k N一個雨流矩陣由很多含有不同峰值和谷值構(gòu)成的循環(huán)所組成。圖2中每個點(diǎn)對應(yīng)的右坐標(biāo)軸和下坐標(biāo)軸的數(shù)值分別表示循環(huán)歷程中先后經(jīng)歷到的2個極值(峰值或谷值,左側(cè)和上側(cè)的數(shù)值是將右、下坐標(biāo)軸刻度按比例等分成100×100個小方格。每當(dāng)一個循環(huán)的峰(谷值落于某一方格中,便在該方格區(qū)域的循環(huán)次數(shù)上+1。次數(shù)最終用亮度表示,某方格循環(huán)次數(shù)越多,該方格的顏色越亮。3.2

10、以試車場道路等效模擬用戶使用道路首先將試車場強(qiáng)化道路根據(jù)其路面特征狀況進(jìn)行歸類劃分,得到16種路段,如表1所列。采集各路段的道路載荷譜信號(輪軸分力信號,分別進(jìn)行雨流計數(shù),得到16種路段的雨流矩陣,利用載荷分析軟件的CombiTrack 工具,將16個雨流矩陣分別輸入組合對象中,將疊加得到的用戶使用道路雨流矩陣輸入目標(biāo)對象中,進(jìn)行等效模擬4,結(jié)果見表1。試驗(yàn)場路段總長6.6km ,模擬后的每段等效路段長度=試驗(yàn)場路段長度×權(quán)重系數(shù)(即推廣的倍數(shù)。山路和惡劣道路的里程比例分別為40%、50%、5%和5%2。為考察實(shí)際用戶使用道路與試驗(yàn)場道路間的組合關(guān)系,將試車場各種特殊路段通過分割、外

11、推和拼接來等效模擬4000km 高速公路、5000km 一般道路、500km 山路和500km 惡劣道路等共10000km 的道路情況,并最后對實(shí)際用戶道路和等效模擬道路的車輛后橋多軸損傷進(jìn)行比較,用于驗(yàn)證。3.1用戶實(shí)際道路譜雨流矩陣的編輯和處理雨流計數(shù)法是目前使用最多的雙參數(shù)統(tǒng)計計數(shù)法。通過雨流計數(shù)法的計算可以得到局部應(yīng)力、應(yīng)變的循環(huán)次數(shù),并用雨流矩陣的形式表現(xiàn)出來。雨流矩陣也經(jīng)常用于描述零件所承受的載荷譜3,疲勞研究中的目標(biāo)載荷譜是由道路實(shí)測時間歷程進(jìn)行雨流計數(shù)后再進(jìn)行外推、疊加、修正后組合而成。為了真實(shí)反映用戶實(shí)際使用道路情況,首先采集4種典型路面條件下由測量輪測得的后橋輪軸處縱向力F

12、 X 、側(cè)向力F Y 、垂向力F Z 信號,圖1為后橋軸頭三分力作用點(diǎn)位置和方向示意;然后使用載荷分析軟件分別進(jìn)行雨流計數(shù),按照組合比例40%、50%、5%和5%分別推廣到4000、5000、500、500km ;再將4段道路進(jìn)行雨流疊加后得到目標(biāo)用戶道路的雨流矩陣4,結(jié)果如圖2所示。圖1后橋軸頭分力作用位置側(cè)向力F Y縱向力F X垂向力F Z(a 縱向載荷(b 側(cè)向載荷(c 垂向載荷圖2疊加后的用戶使用道路雨流矩陣表1等效模擬用戶使用道路的試車場各種路段組合定遠(yuǎn)試車場道路路段卵石路瀝青路水泥路水泥路彎道彎道下坡砂石路搓板路石塊路彎道減速坎鐵路道口路橋接縫路面凸起路面凹坑魚鱗坑石塊路試驗(yàn)場路段

13、長/km0.14050.12260.14580.20530.08030.22.04330.20372.09390.05460.06250.38360.06120.05410.17410.4568權(quán)重系數(shù)00027426273920242160213801143860等效組合路段長/km00056.2522210.9481784.0000494.47863.259201.14662.375006.976820.882600表2為CombiTrack 工具提供的兩種路面的后橋名義損傷比較,圖3中的比例值為組合路段總損傷值除以用戶使用道路損傷值得到的百分比。從圖3看到,等效組合路段在3個方向的損傷值

14、與實(shí)際使用道路3個方向的損傷值接近,表明模擬效果很好。另外從表2也可看出,垂向載荷帶來的損傷影響最大,其次是縱向載荷,側(cè)向載荷帶來的損傷不及垂向的百分之一。表2用戶使用道路與組合路段后橋軸頭分力名義損傷比較圖3組合路段總損傷值除以用戶使用道路損傷值得到的百分比3.3多軸載荷損傷驗(yàn)證多軸載荷計算即多軸疲勞分析,是通過多通道的線性組合來計算損傷的一種方法。對多軸載荷的分析是基于以彈塑性力學(xué)為依據(jù)的模型以及與之相關(guān)的雨流計數(shù)法來進(jìn)行的。它除單軸雨流信息外,還包含了單個載荷之間的相位和耦合關(guān)系的信息5。為了驗(yàn)證試車場組合道路是否能較好地等效模擬用戶使用道路,用載荷分析軟件分別對兩種道路進(jìn)行多軸損傷分析

15、。對于用戶使用道路,將4段典型地區(qū)道路分別進(jìn)行多軸載荷分析,然后按各自比例外推到10000km ,并進(jìn)行疊加;對于試車場組合路段,對每段實(shí)測后的載荷譜分別進(jìn)行多軸載荷分析,然后按照表1中權(quán)重系數(shù)進(jìn)行線性外推并疊加。圖4為最終得到的用戶使用道路和等效模擬路段多軸損傷分析圖,橫、縱坐標(biāo)分別代表縱向載荷方向和側(cè)向載荷方向,垂向載荷方向用一系列的同心圓來表示,3個方向的數(shù)字分別表示單位矢量在該方向上的投影。損傷用亮度表示,最亮的點(diǎn)即是最大損傷載荷方向,兩種道路的最大損傷值(用單位矢量表示分別出現(xiàn)在(0.567,0.007,0.824和(0.575,0,0.818方向,分別為7.5217×10

16、-16和7.4654×10-16,兩者比較相似,證明等效模擬結(jié)果可靠,方法是正確的。從圖4還可看出,道路損傷主要由垂向力產(chǎn)生,縱向力次之,側(cè)向力對損傷基本無影響。(a 試車場組合路段(b 用戶使用道路圖4多軸損傷分析圖4結(jié)束語基于實(shí)測后橋軸頭力信號,將用戶使用道路進(jìn)行試車場路段等效模擬,并比較兩者之間名義損傷結(jié)果。驗(yàn)證結(jié)果表明,通過對試車場的各種路段的線性組合,能夠很好地等效模擬用戶使用道路情況,這為10萬km 甚至幾十萬km 的道路譜采集提供了方便的道路譜等效處理方式。該模擬方法可推廣用于不同地區(qū)的道路及典型路面,亦能在臺架上可靠地復(fù)現(xiàn)實(shí)際道路載荷,還能作為虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?qū)動信號獲

17、取方法,同時該研究可為實(shí)際試車場的實(shí)車試驗(yàn)設(shè)計提供理論依據(jù)。參考文獻(xiàn)1卞云洲.轎車后橋典型路況研究:學(xué)位論文.上海:同濟(jì)大學(xué),2003.2彭為.典型地區(qū)道路與EVP 載荷譜當(dāng)量關(guān)系及轎車后橋壽命數(shù)字化預(yù)測研究:學(xué)位論文.上海:同濟(jì)大學(xué),2004.3Rychlik,I.A NewDefinition of the RainflowCycle Counting Me-thod,Int.J.Fatigue.1987.4LMS International.LMS TecWare Documentation 1999.5Beste A.Multiaxial Rainflow :A Consequent

18、Continuation of Pr-后橋軸頭三分力作用方向用戶使用道路損傷值試車場組合路段損傷值X 向1.4818×10-161.4760×10-16Y 向2.7519×10-182.7531×10-18Z 向3.5131×10-163.5308×10-161.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0名義損傷值6.00×10-165.50×10-165.00×10-164.50×10-164.00×10-163.50×10-163.00×

19、;10-162.50×10-162.00×10-161.50×10-161.00×10-165.00×10-172.60×10-18-1.1-0.50.51.1X 向Y 向6.77×10-166.50×10-16名義損傷值6.00×10-165.50×10-165.00×10-164.50×10-164.00×10-163.50×10-163.00×10-162.50×10-162.00×10-161.50×10-1

20、61.00×10-165.00×10-172.23×10-181.00.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0Y 向-1.1-0.500.51.1X 向6.77×10-166.50×10-16X 向Y 向Z 向102030405060708090100100100101!吉林大學(xué)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目。1前言虛擬激勵法是由我國學(xué)者提出的用于分析結(jié)構(gòu)系統(tǒng)隨機(jī)振動的新方法,是具有理論研究與工程應(yīng)用前景的創(chuàng)新性成果,在土木、海洋等工程領(lǐng)域得到應(yīng)用和重視13。如何更好地將其應(yīng)用于汽車隨機(jī)振動的研究中,是一個值得探討的問題。從工程應(yīng)用的

21、角度來看,現(xiàn)有關(guān)于虛擬激勵法的介紹過于理論化,不利于其在工程領(lǐng)域的推廣與廣泛應(yīng)用。本文采用工程設(shè)計人員易于理解的方式對虛擬激勵法的基本理論進(jìn)行總結(jié),并以1/4汽車單自由度振動系統(tǒng)為研究對象,將其應(yīng)用于汽車隨機(jī)振動的研究中,為虛擬激勵法在汽車領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣與應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。2虛擬激勵法的基本理論2.1虛擬激勵法的理論基礎(chǔ)對于受到平穩(wěn)隨機(jī)激勵的線性系統(tǒng),頻率響應(yīng)是表征系統(tǒng)在頻域的動態(tài)特性的函數(shù),決定了系統(tǒng)響應(yīng)(輸出與激勵(輸入之間的關(guān)系,是頻率的函數(shù)。在零初始條件下,對常系數(shù)線性系統(tǒng),頻率響ofessor Tatsuo Endo s work.In Y.Murakami,Ed.,The Rainf

22、low Method in Fatigue.Butterworth &Heinemann,Oxford 1992.6陳棟華轎車底盤零部件耐久性虛擬試驗(yàn)理論與方法研究:學(xué)位論文.上海:同濟(jì)大學(xué),2007.(責(zé)任編輯文楫修改稿收到日期為2007年4月4日。虛擬激勵法及其在汽車隨機(jī)振動應(yīng)用中的探討!李杰1秦玉英1趙旗1張偉2(1.吉林大學(xué)汽車動態(tài)模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;2.上海泛亞汽車技術(shù)中心有限公司【摘要】論述了虛擬激勵法,為探討其應(yīng)用于汽車隨機(jī)振動的可行性,構(gòu)造了虛擬路面激勵。以1/4汽車單自由度振動系統(tǒng)為對象,由虛擬激勵法推導(dǎo)出系統(tǒng)和振動響應(yīng)量的頻率響應(yīng)特性,提出了求取系統(tǒng)振動響應(yīng)量功率譜

23、密度的新方法,給出了應(yīng)用虛擬激勵法求解汽車隨機(jī)振動的計算實(shí)例。結(jié)果表明,虛擬激勵法是比傅里葉分析方法更為簡便的時頻研究方法。主題詞:汽車隨機(jī)振動平順性虛擬激勵法中圖分類號:U462文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-3703(200707-0024-04Vitual Excitation Method and Its Applicationto Automotive Random VibrationLi Jie 1,Qin Yuying 1,Zhao Qi 1,Zhang Wei 2(State Key Lab of Automobile Dynamic Simulation,Jilin University ;2.Pan Asia Automot