多軸雨流應(yīng)用

1、目標用戶道路譜與試驗場道路譜的載荷當量等效模擬研究吳建國魏傳峰周金宏陳棟華1前言道路試驗是汽車開發(fā)過程中不可或缺的重要階段，它包括在高速 公路、普通路面、惡劣道路以及各種特殊路面上的測試，是一種檢驗 汽車性能的有效手段。由于西方國家的路面條件與我國實際情況存在 較大差異，因而難以參考國外引進的試驗規(guī)范和試驗路面譜，例如福 特公司的Jerry Z. Wang和Mark W. Muddiman等人曾于1996年至 1997年對中國用戶道路載荷譜與福特公司在美國和比利時的試車場 道路載荷譜進行了比較研究，發(fā)現(xiàn)在國外某種道路路面上不會發(fā)生故 障的零部件卻在國內(nèi)出現(xiàn)剛度強度問題。另外我國幅員遼闊，各地道

2、 路情況差異較大，因而也有必要對典型地區(qū)道路載荷譜進行分析，找 出其與試車場道路載荷譜對應(yīng)關(guān)系，可為制定適合我國的試驗譜系及 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)道路與試驗場道路載荷譜的當量關(guān)系，就可在試車場按一定 比例混合各種路面來再現(xiàn)目標用戶地區(qū)道路載荷輸入，進一步擴展外 推后，便可了解較長里程后的損傷情況，達到加速試驗的目的。本 文通過使用LMS Tecware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 譜的當量關(guān)系，可作為產(chǎn)品設(shè)計部門的自主開發(fā)和符合我國道路特點 的試驗標

3、準制定的參考，具有實際指導(dǎo)意義。本文通過使用LMS Tecware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 路載荷譜的當量關(guān)系，可作為產(chǎn)品設(shè)計部門的自主開發(fā)和符合我國道 路特點的試驗標準制定的參考，具有實際指導(dǎo)意義。2道路載荷譜的采集研究選擇安徽某試車場強化試驗路段作為道路譜采集的試驗道 路。試驗道路一個循環(huán)總長為6.6km，共設(shè)有16種特殊路面，包含 轎車使用過程中可能遇到的各種路面狀況。為考察實際用戶使用道路 與試驗場道路間的組合關(guān)系，根據(jù)國內(nèi)某著名汽車公司的用戶調(diào)查統(tǒng) 計確定典型地區(qū)道路分別選取江蘇某地高速路段、浙江某市郊區(qū)普通 瀝青

4、路段、浙江某市山路和市區(qū)嚴重破壞瀝青路面，分別用于代表高 速公路、一般道路、山路和惡劣道路。試驗車輛是一部裝備齊全、經(jīng) 過磨合期后且車況良好的某典型中級轎車，裝有5擋手動變速器，并 按要求配重。試驗信號采集裝置和試驗轎車測量輪如圖1所示。圖1信號采集裝置和轎車后輪照片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、山路和惡劣道 路的里程比例分別為40%、50%、5%和5%。為考察實際用戶使用道 路與試驗場道路間的組合關(guān)系，這里將試車場各種特殊路段通過分 割、外推和拼接來等效模擬4000Km高速公路、5000Km 一般道路、500Km 山路和500Km惡劣道路總共10000Km的道路情

5、況，并最后對實際用戶 道路和等效模擬道路的后橋多軸損傷進行比較，用于驗證。3.1用戶實際道路譜雨流矩陣的編輯和處理雨流計數(shù)法是現(xiàn)在使用最多的雙參數(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。雨流矩陣也相應(yīng)被經(jīng)常用于描述零件所承受的載荷譜。疲勞 研究中的目標載荷譜是由道路實測時間歷程在進行雨流計數(shù)后再進 行外推、疊加、修正后組合而成。為了真實反映用戶實際使用道路情況，首先采集江蘇某地高速路 段、浙江某市郊區(qū)普通瀝青路段、浙江某市山路和市內(nèi)嚴重破壞瀝青 道路四段路面各由測量輪測得的的后橋輪軸處縱向力F、側(cè)向力F、 XY垂向力F信號，圖2為后橋軸頭

6、三分力作用點位置和方向示意圖。然 Z后使用載荷分析軟件分別進行雨流計數(shù)，按照組合比例40%、50%、 5%和5%分別推廣到4000Km、5000Km、500Km和500Km。再將四段道路 進行雨流疊加后得到目標用戶道路的雨流矩陣。使用Tecware進行分 析的結(jié)果如圖3：圖2后橋軸頭分力作用位置.F rI II I _nIF:i r 商 11 i-sfa i!c明仲Mg雨流圖PIF F l.tl IH倒向載荷雨流圖舉向載荷雨流圖.mot s圖3疊加后的用戶使用道路雨流矩陣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。雨流矩陣圖中每個點對應(yīng)的右坐標軸和下坐標軸數(shù)字分別表示循環(huán)歷程中先后經(jīng)

7、歷到的兩個極值（峰值或谷值），左面和上面的數(shù)字是 將右坐標軸和下坐標軸刻度按比例等分，在上圖中分成100X100個 小方格。每當一個循環(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)最終用亮度表現(xiàn)出來，某方格循環(huán)次數(shù)越多，該 方格的顏色越亮。3.2用戶使用道路的試車場道路等效模擬首先將試車場強化道路根據(jù)其路面特征狀況進行歸類劃分，共計得到16種 路段，具體見表1。分別采集各個路段的道路載荷譜信號，即輪軸分力信號，各 自進行雨流計數(shù)，得到16種路段的雨流矩陣，使用載荷分析軟件Tecware中的 CombiTrack工具，將16個雨流矩陣分別輸入全組合對象中，將3.1中疊加得到 的

8、用戶使用道路雨流矩陣輸入全目標對象中，進行等效模擬。得到的結(jié)果如表1 所示，試驗場每段長度列于第二行，總計長6.6km，模擬后的每段等效路段長度 =試驗場長度X權(quán)重系數(shù)（即推廣的倍數(shù)）。表1用以等效模擬用戶使用道路的試車場各類路段道路組合表蹄.璀Tte站石塊海誠建坎遑口路面路面凹坑石用 陀度 (hm)0.15D.L2Ma.i45g02053OJ08030：2204330.3D3?9.09 叩00545D.D6251 ： TIUEDO541D.1MLCM丸8ESS.數(shù)000湘26273P2D24J02L3B0LH嘛00Wifi 含路段 Of (km)000210.9451網(wǎng)OTO3 23920-

9、4-；-；137500691S3208P26101圖4是CombiTrack工具提供的兩種路面的后橋名義損傷比較，Target表示 用戶使用道路，CombiTrack表示用來等效模擬的試車場組合道路。圖5的比例 值表示圖4中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。從圖中 看到，等效組合道路三個方向的損傷值與實際使用道路三個方向的損傷值接近， 模擬效果很好。另外從圖4中也可以看出，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。CJiflnnelTargetCornhTreckX間損飭1 4818E-161 476E-16V1饑損傷2.7519E-

10、1S27531E-18E向損傷3,5131E-1635癱芯圖4用戶使用道路與組合路段縱向力F、側(cè)向力F、垂向力F名義損傷比較XYZ圖5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普遍接受的以彈塑性力學(xué)為依據(jù)的模型以及與之 相關(guān)的雨流計數(shù)法來進行的。它除了單軸雨流信息外，還包含了單個載荷之間的 相位和耦合關(guān)系的信息為了驗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Tecware分別對兩種道路進行多軸損傷分析：就用戶使用道路來說，將四段 典型地區(qū)道路分別

11、進行多軸載荷分析，然后按各自比例外推到10000Km，并進行 疊加；就試車場組合道路而言，對每段實測后的載荷譜分別進行多軸載荷分析， 然后按照表1中權(quán)重系數(shù)進行線性外推并疊加。圖6是最終得到的用戶使用道路 和等效模擬道路多軸損傷分析圖，橫縱坐標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，此三個坐標上的數(shù)字分別表示單位 矢量在該方向上的分量。損傷用亮度來表現(xiàn)，最亮的點即是最大損傷載荷方向， 圖上方的Transfer Rates用單位矢量表達了該方向，Damage中的數(shù)字表示該名 義損傷最大值。最大損傷值出現(xiàn)分別出現(xiàn)在(0.567, 0.007, 0.824)和(0.575, 0，0.818)方向，分別為7.5217Xio-16，7.4654Xio-16，比較相似，證明等效模 擬結(jié)果可靠，方法是正確的。試率與綱合道郡用戶使用道藉圖6多軸損傷分析圖從多軸損傷分析圖中亦能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。4總結(jié)本文基于實測后橋軸頭力信號，將用戶使用道路進行試車場路段等效模擬。 并比較兩者之間名義損傷結(jié)果，最終證實通過對