基于青藏线实测载荷的半挂车疲劳寿命预测.pdf

第32 卷第3期2023年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.3Sept.2023文章编号：10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 3-0 0 2 0-0 6D0I:10.13340/j.cae.2023.03.004基于青藏线实测载荷的半挂车疲劳寿命预测徐刚，周心悦，暴文帅（1.同济大学汽车学院，上海2 0 18 0 4；2.宝山钢铁股份有限公司中央研究院，上海2 0 190 0）摘要：为研究某款主流半挂车型的耐久性能，在青藏线上实测关键加速度、位移、应变信号，分析得到该线路中对车辆疲劳寿命影响较大的路段。建立半挂车整车虚拟试验台架，用青藏线实测轴头及鞍座处加速度信号进行虚拟选代，得到台架驱动信号，导出车身外载荷激励。使用激励信号计算车身及关键位置焊缝的疲劳寿命。结果表明：用实测道路载荷与虚拟试验相结合来分析车辆疲劳寿命的技术路线可行。基于该方案计算得到的半挂车疲劳寿命满足设计需求。关键词：载荷谱；半挂车；疲劳；焊缝疲劳；虚拟试验；虚拟迭代；伪损伤中图分类号：U467.18；U 46 9.53Fatigue life prediction of semi-trailer based onmeasured load on Qinghai-Tibet routeXU Gang,ZHOU Xinyue,BAO Wenshuai?.2文献标志码：B(1.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Central R&D Center,BaoShan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)Abstract:To study the durability performance of a mainstream semi-trailer body,a real road test on theQinghai-Tibet route is carried out to measure the key acceleration,displacement and strain signals.Thesections of the route which have a greater impact on the semi-trailer fatigue life are identified.After that,a virtual test bench for the semi-trailer is established.Using the measured acceleration signals at the axlehead and saddle,virtual iterations are carried out to obtain the drive signals for the rig and derive theexternal load excitation for the semi-trailer body.Finally,the fatigue life of the body and its seam weldsis calculated.The results show that it is feasible to analyze vehicle fatigue using the technical route ofcombining the actual road measurement with the virtual test.The fatigue life of semi-trailer and welds oncritical position calculated based on this scheme meets their durability design requirements.Key words:load spectrum;semi-trailer;fatigue;weld fatigue;virtual test;virtual iteration;pseudo damage最大允许总质量的常规车型，也是我国中长途公路0 引 言运输的主力车型，市场对半挂车轻量化设计水平的在绿色低碳发展的时代大背景下,轻量化是汽要求也愈发严格。采用升级材料和优化结构实现轻车设计研发过程中的一个重要议题。半挂车是我国量化，是半挂车车身设计的主要手段。伴随着材料收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 3修回日期：2 0 2 3-0 4-19作者简介：徐刚（198 3一），男，四川绵阳人，讲师，博士，研究方向为汽车试验学，（E-mail)xg_http:/cae ;smucae 第3期和结构的变化,新设计的半挂车耐久性验证问题也更加重要。以往这种基于经验或静载设计进行的半挂车新车型开发，通过高开发成本、长迭代周期的样车路试来验证疲劳性能，显然会降低新车型的市场竞争力。通过开展虚拟耐久性试验，能够有效减小开发周期和降低成本。目前,与半挂车虚拟试验相关的研究，主要集中在基于多体动力学模型和虚拟标准路面谱或工况法进行车身载荷及疲劳寿命预测上。李楠等通过提取半挂车多体动力学模型在虚拟H级路面行驶时车架上承载面的载荷，预测车架疲劳寿命；何家兴等2 基于减振器极限工况、制动工况，计算空气悬架支撑梁应力分布后，对其疲劳寿命进行预测;韩鲁明31基于半挂车1/2 振动模型求解时域激励信号，并通过半挂车多体动力学模型，计算出车架外载荷；慧超4 通过应变片和实车道路试验的方法，得到时域疲劳寿命计算的载荷谱输人。国外研究方面：PAUWELUSSEN等5 从实测数据中得到典型载荷数据，并将其作为半挂车疲劳寿命计算依据;PENAZ等6 仿真半挂油罐车以不同车速通过虚拟波浪路面时的响应，并计算其车身应力；SCHWANKE等7 在半挂车板簧上布置应变片，并实测其在高速和非铺装路面的载荷，为开展板簧加速耐久试验提供实际使用条件下的数据。在预测半挂车疲劳寿命时，其载荷谱输入应能反映用户的实际使用环境，使疲劳寿命计算结果更加准确。但是，上述研究文章较少探讨载荷谱输入与中国用户实际使用环境间的关系。本文从半挂车道路实测载荷出发，通过合理布置传感器并在青藏线上开展道路试验，基于实测载荷数据开展虚拟试验，对半挂车结构及焊接进行疲劳寿命预测，验证该设计满足需求。1半挂车车身静力学分析本文研究基于国内市场主流的仓栅半挂车车型，该车型最大设计总质量40 t，车身轮廓尺寸为13m（长）2.55m（宽）1.8 m（高），底盘采用三轴并装气囊悬挂，见图1。图1三轴气囊悬挂仓栅半挂车cae ;smucae 徐刚，等：基于青藏线实测载荷的半挂车疲劳寿命预测路试载荷谱数据采集根据半挂车服役数据统计，青藏线是最易发生疲劳故障的行驶区域。因此，路试载荷谱采集区段选择青藏线的格尔木至拉萨段（见图3），全长12 0 0km。测试区段平均海拔40 0 0 m以上,途经冻土区域,路面坑洼严重,典型路面见图4。安多人出雁石坪48004713沱沱河扎西半岛4.533五道梁4415西大滩4.750那曲4.450当雄羊八井4200422095本文的路试数据采集采用应变、位移和加速度等3种传感器,数据采集系统为LMS SCADAS。在车身静力分析的热点处布置应变片（花），实车采集这些位置上的应变信号。考虑到整车虚拟台架模型中的驱动输人和后期的信号迭代及监测，还需采集相关位置的位移和加速度信号。测试传感器的布置21在进行新车型路试载荷谱采集和疲劳寿命分析前,需要确定新车型的疲劳热点，以便合理布置测试传感器,因此先通过弯曲、前扭、后扭、转弯等4种典型经验工况的静力学分析，定位疲劳热点可能出现的位置,见图2。（a）牵引座三角加强板根部(b）牵引座垂向腹板焊缝处(c）车身变截面位置图2 部分车身疲劳热点位置2路试载荷谱数据采集及处理2.14110M2815拉萨3658图3路试载荷谱采集区段,mhttp:/格尔木22见表1、图5和6。计算机辅助工程变化。因此,本文采用雨流计数和伪损伤对本次路试数据进行相关分析。2023年RBAOSTEL创享改变生活图4青藏线典型路面表1测试传感器布置情况测量点传感器类型轴头加速度传感器鞍座加速度传感器车架中部、车架后方加速度传感器空气弹簧位移传感器潜在危险点应变片(花)（a）牵引座左右侧加速度传感器口(b）车桥轴头加速度传感器图5加速度传感器（部分展示）图6 位移传感器（部分展示）在路试过程中，为保证测试数据的安全性,将1200km测试路段的测试数据按时间先后分成31份进行保存,共采集11GB数据。如图7 所示为测试车辆翻越昆仑山的测试场景。2.2路试载荷谱数据处理对随机载荷的统计主要采用幅值域统计计数法或功率谱法,疲劳寿命的研究主要针对载荷幅值的http:/图7 测试车辆翻越昆仑山采集得到的原始数据通常包含各种毛刺和噪声信号，需进一步通过数据预处理，使其能够用于后续的计算和分析。本次数据预处理工作主要包括去零飘、去趋势项、去毛刺、低通滤波等，这些工作大部分可以通过成熟的信号处理软件（如LMS_Tecware）完成。其中比较复杂的是毛刺去除，文献8 展示难以通过全自动化的工作流去除毛刺的案例，并给出对于汽车耐久性试验中多达数十个通道、上百公里里程的数据的迭代去毛刺方法：(1)计算一些简单的统计值（最小值、最大值、平均值、RMS等）,并检查这些值是否合理；（2)挑选出统计值中的可疑信号，通过可视化方式检查这些数据；(3)如果这些信号有问题,可应用文献8 中的方差滤波或统计滤波方法，调整选取合适的参数以获得合理的结果；（4)若调整参数后的滤波器对可疑信号段有良好的去毛刺效果,则将其应用于整个数据集；(5)对修正后的数据集重复第一步,直至不再发现可疑统计值。在实际数据处理中,未去除的毛刺可能会在伪损伤计算时引入明显误差，导致该信号段的伪损伤值显著大于其他信号段，对后续工作造成误导。本文对毛刺信号进行仔细完整的甄别和去除工作。对预处理完成后的信号进行雨流计数并计算其伪损伤，得到加速度通道和应变通道的伪损伤，分别见图8 和9。图中,横坐标为前文提到的按时间先后分成31份保存的测试数据的编号，可以看出第62 3份测试信号的伪损伤较大，对应的测试区间是在昆仑山口一唐古拉山山口,其中加速度通道伪损伤的2 个峰值出现在沱沱河段和雁石坪段。伪损伤数据与实际路况的恶劣程度相符。3虚拟试验台架搭建根据半挂车车身和车轴的硬点位置搭建刚体模型。通过试验获得衬套、空气弹簧、减振器的力学性能参数，进一步装配得到虚拟台架模型,见图10。cae ;smucae 第3期2.510-16r2.010-161.510-161.010-160.510-160图8轴头及鞍座处加速度信号的伪损伤710-86x10-8510-8410-8310-8210-8110-80图9车身关键区域应变信号的伪损伤图10 整车虚拟刚体台架模型由于车身及车轴在实际工作中存在较大变形，因此通过计算车身、车轴带接附点约束的Craig-Bampton模态对其柔性化，部分模态见图11和12。柔性化后的整车虚拟试验台架模型见图13。图11车身主要结构模态路谱采集的轴头加速度信号，需经过虚拟迭代9 得到轴头位移输入后,才能用于驱动整车虚拟台架。虚拟迭代本质上是非线性系统求逆问题。般情况下，迭代过程包括系统辨识和目标信号迭代cae ;smucae 徐刚，等：基于青藏线实测载荷的半挂车疲劳寿命预测510510232个阶段，见图14。H1520路段编号1520路段编号252530303535图12车轴主要结构模态图13柔性化后的整车虚拟台架模型开始开始生成白粉红噪声计算初次驱动信号驱动-IH-1目标初次测量频率响应函数FRF采集系统输出模型更新计算误差信号修理量-H-1x误差FRF结果保存评价选代质量新驱动-旧驱动+修正量YY再一次测FRF更新驱动信号NYN结束结束(a)系统辨识流程(b)信号选代流程图14虚拟送代流程经过迭代可知，在轴头及鞍座处，迭代位移驱动产生的加速度信号与实测加速度信号间的RMS值控制10%以内（见图15和16），且悬架压缩量迭代信号对实测值的复现精度也较好（见图17 19），证明虚拟台架模型与实车的动力学响应高度一致。9.0一目标信号.送代信号5.8(2s/u)/率42.6-0.6-3.8-7.034.0图15鞍座左侧垂向加速度迭代结果http:/更新驱动信号35.236.4t/s37.638.840.024(2s/ul)/(a4-15034.0图16第一车轴右侧垂向加速度送代结果58.150.040.030.020.010.00位-10.0-20.0-30.0-40.0-50.0-54.31617 181920 21 2223242526t/s图17送代位移信号与实测位移信号片段对比80.9一目标信号60.0送代信号40.020.00-20.0-40.0-60.0-80.90.9图18送代位移信号与实测位移信号穿级计数对比163.5140.0120.0wu/100.080.060.040.020.01.10.9图19代位移信号与实测位移信号程对计数累积频次对比4疲劳寿命计算结构的疲劳寿命取决于材料力学性能和施加应力水平,故车身疲劳计算需要2 个外部输人数据，即材料疲劳数据、外部载荷激励数据。由于路面载荷激励主要位于50 Hz以下，而车身多个主要结构模态都位于50 Hz以内，故本文采用模态叠加法预测车身结构寿命3基于前文的迭代结果，可以得到车身各阶模态http:/计算机辅助工程200一目标信号选代信号13060-802023年参与因子，即车身的外部载荷激励数据，见图2 0。22子因-23.101.679子因-6.6720035.236.4t/s一目标信号选代信号3.010.0循环次数/次一目标信号.选代信号3.010.0累积循环次数/次14137.638.830.0100.0300.01 000.030.0100.0300.01000.02345678910t/102s2345678910t/102s40.07.815,子0因-8.68600.5703子0因-0.5-1.067012345678910t/102s2.467子因-2.42900.002.875子8.8828:881因-0.0015610由于半挂车车身主要结构件上存在焊缝，在进行应力-寿命疲劳预测时,不仅要获取车身母材的S-N曲线,还需获取母材焊接接头的S-N数据。由于焊缝对有限元计算模型的网格敏感性较高，且焊趾处为应力奇异点,因此采用结构应力法10 评估焊缝区域寿命。本文车身寿命预测分2 步：（1)基于车身母材的S-N曲线，采用模态叠加法计算整体车身寿命，得到非焊接区域寿命预测值等效50 万km，并识别焊接区域的危险热点，见图2 1；(2)采用结构应力法对焊接区域的危险热点进行寿命计算，得到焊接区域寿命预测值等效45万km，见图2 2。计算结果表明：本文所测试的半挂车设计方案可满足3年青藏线服役寿命要求。Below RangeBeyond CutoffNoDataMax:0.434.7AtNode98330Min:Beyond CutoffAtNode735698图2 1整体车架寿命计算结果cae ;smucae 中州华州123 4516t/102s12345678910t/102s123456t/102s图2 0车身模态参与因子1.216E-013.403E-029.521E-032.664E-037.452E-042.085E-045.833E-051.632E-054.566E-061.278E-063.574E-071.000E-0789108910第3期图2 2 关键焊接区域寿命计算结果5结 论（1)基于某款主流半挂车型，在青藏线实测载参考文献：1李楠，孙桓五，闫杰，等.半挂车车架多轴疲劳寿命研究J.汽车技术，2 0 12（9）：6-10.2何家兴，杜群贵，杨志伟，等半挂车空气悬架支撑梁有限元分析J机械设计与制造，2 0 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