强化坏路工况下冷却模块的加速耐久试验研究.pdf

引用格式：引用格式：魏峰,胡溧,杨啟梁,等.强化坏路工况下冷却模块的加速耐久试验研究J.中国测试，2024,50(3):45-51.WEIFeng,HULi,YANGQiliang,etal.StudyonacceleratedendurancetestofcoolingmoduleunderstrengtheningbadcircuitconditionJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(3):45-51.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022010072强化坏路工况下冷却模块的加速耐久试验研究魏峰1，胡溧1，杨啟梁1，李兴山2，许晶2(1.武汉科技大学汽车与交通工程学院，湖北武汉430081;2.东风马勒热系统有限公司，湖北武汉430056)摘要:提出一种加速疲劳试验功率谱编辑法。以某款商用车道路试验载荷谱为基础，通过分析各路况下的频域特征，结合冷却模块的计算模态结果，确认导致冷却模块失效的风险路况。基于采集的载荷信号计算得到各路况疲劳损伤谱分量，应用 Miner 线性叠理论获得总疲劳损伤，最终编辑生成台架加速试验用功率谱。通过对加速谱时域、幅值域和频域角度的对比，验证加速谱台架响应统计特征与原始谱的一致性。冷却模块的台架耐久试验表明，将振动量级提高 1.85 倍，通过 57h 的台架试验模拟完成三种风险路段数百小时的道路试验。并复现道路试验的失效故障，验证其有效性。关键词:疲劳试验;冷却模块;模拟试验;疲劳损伤谱;载荷谱编制中图分类号:U467.5+23;TB9文献标志码:A文章编号:16745124(2024)03004507Study on accelerated endurance test of cooling module understrengthening bad circuit conditionWEIFeng1,HULi1,YANGQiliang1,LIXingshan2,XUJing2(1.CollegeofAutomobileandTrafficEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,China;2.DongfengMahleThermalSystemsCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)Abstract:An accelerated test power spectrum editing method is proposed.Based on the road test loadspectrumofacommercialvehicle,byanalyzingthefrequencydomaincharacteristicsofeachroadconditionandreferringtothecalculatedmodalresultsofthecoolingmodule,theriskroadconditionsleadingtothefailure of the cooling module were confirmed.The fatigue damage spectrum components of each roadconditionwerecalculatedbasedonthecollectedloadsignals,thetotalfatiguedamagewasobtainedbyusingMinerslinearsuperpositiontheory.Finally,thepowerspectrumforbenchaccelerationtestisgenerated.Withthe acceleration spectrum compared and verified through time domain,amplitude domain and frequencydomainangles,thedatashowsthatthestatisticalcharacteristicsoftheacceleratedspectrumareconsistentwiththe original spectrum.The bench endurance test of cooling module shows that the enhanced vibrationmagnitudeby1.85times,hundredsofhoursofroadtestsonthreeriskyconditionscanbeshortenedto57hoursofbenchtest,andreproducefailuresintheroadtest,whichverifiestheeffectiveness.Keywords:fatiguetest;coolingmodule;simulationtest;fatiguedamagespectrum;loadspectrumcompilation收稿日期:2022-01-17；收到修改稿日期:2022-02-22作者简介:魏峰（1990-），男，辽宁抚顺市人，硕士研究生，专业方向为噪声与振动、汽车 NVH 及声品质。通信作者:胡溧（1977-），男，湖北武汉市人，教授，研究方向为噪声与振动、汽车 NVH 及声品质。第50卷第3期中国测试Vol.50No.32024年3月CHINAMEASUREMENT&TESTMarch,20240 引言商用车的冷却模块在设计定型期，需要完成数万公里的强化坏路道路试验，检验其耐久度和设计缺陷。相对于道路试验，室内台架模拟试验可以有效的降低成本，并可以通过对试验载荷谱进行编辑缩短试验时长，提高验证效率。ABDULLAH 等1采用WaveletBumpExtraction算法识别出载荷信号中损伤量大的频带，同时关联时间序列，删除损伤小的频带，重组后得到疲劳损伤与原始信号等效的加速谱。高博等2对疲劳损伤谱的时、频域两种算法进行阐述，并在 Matlab 中编写程序，对典型载荷谱进行计算，发现两种算法得到的谱线一致性较好，具有等效性。谢春稳等3针对机翼单向阀振动图谱异常的问题，对初始工装进行模态和 PSD 分析，发现在 1000Hz 以下存在共振点、动态特性差的问题。经改进后振动响应不均匀现象消失，试验图谱和仿真结果得到改善。侯吉林等4获取桁架原结构局部的激励和加速度响应数据；应用附加虚拟质量法创建新结构，得到新结构的频率特性及试验频率。与有限元计算频率对比，识别原结构的损伤。结果表明，该方法可以准确地识别出桁架结构的损伤。李奇志等5结合 Palmgren-Miner 疲劳损伤原理和随机振动宽、窄带应力作用累计损伤分布特点，推导出随机振动激励谱加速因子计算方程和物理意义，并进行了试验验证，实现了频率域加速耐久试验。本文阐述了频率域疲劳损伤谱编辑法的原理及计算流程，应用此方法对商用车冷却模块载荷谱进行筛选编辑，生成了适用于单轴振动试验台的加速度随机功率谱 PSD，完成加速模拟试验。1 疲劳损伤谱建立道路试验和台架模拟试验的损伤等效关系是完成台架模拟试验的关键。疲劳损伤谱（fatiguedamagespectrum,FDS）是载荷信号本身的特性之一，主要描述了载荷信号对试验样件造成的疲劳损伤值 Di与频率 fi之间的关系。将振动系统分解为多个单自由度系统，结合材料 S-N 曲线及 Miner 线性疲劳累计理论，分析得固有频率 fi对应的疲劳损伤Di。疲劳损伤谱可以从时域信号6和 PSD 中获得7。1）基于时域计算法：时域随机信号疲劳损伤谱的计算是将载荷信号施加于一固有频率为 f0，阻尼比为 的线性单自由度系统，根据瞬态动力学方法计算出系统的相对位移 z(t)。在单自由度线性系统中，峰值应力 Sp与最大相对位移 zp成正比：Sp=Kzp(1)式中，K 为比例系数。对相对位移 z(t)进行雨流计数，统计出每个峰值位移幅值 zi对应的循环次数 ni。引入应力-循环(S-N)曲线 Basquin 方程：NSbp=C(2)式中：N循环次数；b材料的疲劳强度指数；C材料疲劳强度系数。利用线性损伤累计准则，计算出每个频率 fi下的疲劳损伤：Di=niNi=niSbiSb=KbCnizbpi(3)将频率由 f1覆盖到 fn，最终得到整个系统的疲劳损伤谱 FDS。zrms zrms zrms2）基于频域计算法：Lalanne 给出了基于 PSD计算疲劳损伤谱（FDS）的过程，由时域加速度信号(t)计算得到功率谱密度 PSD，得到相对位移、速度、加速度的均方根值、。则随机信号的幅值概率密度函数为：P(zp)=1r2zrms2ez2p2(12)z2rms+zp2z2rmsez2p2z2rms1+erfzpzrms2(12)(4)=E0/EP式中：谱型不规则因子；E0=m2m00 均值正向穿越频率；EP=m4m2峰值穿越频率；mn=r0fnWs(f)df结构响应功率谱密度Ws(f)的 n 阶惯性矩；erf=12rxe2d误差函数。随机振动的疲劳损伤谱可得：FDS(f)=KbCn+0Tw0zbpP(zp)dzp(5)T 为随机振动持续时间。通过时域信号或 PSD 可以获得多路况总损伤FDS：FDS=Ni=1niFDSi(6)46中国测试2024年3月式中：ni第 i 种路况下的循环次数；FDSi第 i 种路况下疲劳损伤谱。在获得总的疲劳损伤谱后，进而可以计算得到关心频率段内，用于台架试验的 PSD，该 PSD 可通过逆求公式(8)计算出等效时间 T 内的 PSD。Gsynth(fn)=2(2 f)3QkNi=1FDS(f)CKb fnT(1+2/b)2/b(7)(g)=w0 x(g1)exdx式中：Gamma 函数；k测试路段循环次数。2 载荷谱编制在道路试验中，强化坏路通常包括多种路况：坑洼路、凸块路（甲、乙）、带角度搓板路（斜搓板）、直搓板、比利时路和卵石路等，经历数万公里试验后，最终导致冷却模块失效的可能是其中一种甚至几种路况。通过对冷却模块失效点位置处加速度载荷谱分析和冷却模块模态分析来确认风险路段，进而完成载荷谱编辑。2.1 载荷谱分析路面激励经车架传递至冷却模块，故在左右车架、散热器左右护板的上下端分别布置测点以获取载荷信号。其中，散热器左护板上端为失效点，作为主要考察点，其他点作为参考点。冷却模块响应频率主要在 0100Hz，设定采样频率为 1024Hz，各路段信号采集时长如表 1 所示，与道路测试时长保持相同比例。载荷信号在谱分析前需进行预处理，该过程在软件 nCode 中完成，包括低通滤波、去趋势、去奇异值和提取测试路段信号，最后完成随机功率谱 PSD 分析。表 1 各路段信号采集时长路段车速/（kmh1）时长/s坑洼路1085凸块甲路101518凸块乙路202520斜搓板路4023直搓板路4019比利时路18305卵石路2057随机信号的功率谱密度是用于描述信号的能量特征随频率的变化关系，将随机信号从时域转换到频域来表征其特性。对比左护板上端的各路段载荷功率谱密度，如图 1 所示。分析可知，各路段的频段主要集中在 540Hz，坑洼路、凸块甲、凸块乙和卵石路的峰值频率更低，在 510Hz。斜搓板路和直搓板的峰值频率在 1525Hz，与商用车关注的频率 20Hz 接近。且斜搓板路和直搓板路存在多阶峰值频率。不同路段下的 X、Y、Z 峰值频率如表 2 所示。0.80.60.40.202.01.51.00.5432102040频率/Hz608010002040频率/Hz60801002040频率/Hz6080100加速度功率谱密度/(g2Hz1)加速度功率谱密度/(g2Hz1)加速度功率谱密度/(g2Hz1)坑洼路凸块甲路凸块乙路斜搓板路直搓板路卵石路比利时路坑洼路凸块甲路凸块乙路斜搓板路直搓板路卵石路比利时路坑洼路凸块甲路凸块乙路斜搓板路直搓板路卵石路比利时路(a)各路况 X 方向加速度功率谱密度(b)各路况 Y 方向加速度功率谱密度(c)各路况 Z 方向加速度功率谱密度图 1 各路况加速度功率谱密度表 2 各路段响应谱峰值频率Hz路段方向XYZ坑洼路101010凸块甲路101313凸块乙路777斜搓板路8、17、3317、3317直搓板路2313、23、4613、23比利时路111111卵石路81111第50卷第3期魏峰，等：强化坏路工况下冷却模块的加速耐久试验研究472.2 冷却模块模态分析在 ANSA 软件中完成冷却模块的计算模态分析。散热器、中冷器的主体管路为铝，其弹性模量为 71.7GPa，泊松比为 0.33，密度 2.7g/cm3。护板材料为冷轧钢 DC03，其弹性模量为 180GPa，泊松比为 0.3，密度 7.82g/cm3。减震垫硬度为 80。采用 2D 壳单元对护板等其他组件进行划分，车架采用四面体单元进行网格划分8。有限元模型中，冷却模块固定在车架上，模拟实际工作时的约束，计算得到约束模态，其中前六阶非零模态振型如图 2 所示，分析结果如表 3 所示。(a)一阶振型(b)二阶振型(c)三阶振型(d)四阶振型(e)五阶振型(f)六阶振型zyxzyxzyxzyxzyxzyx图 2 前六阶模态振型表 3 计算模态分析结果模态阶数计算模态固有频率/Hz振型一阶11.8前后摆动二阶25.6左右摆动三阶30.7底部前后摆动四阶34.9斜拉杆前后摆动水箱左右摆动五阶41.4斜拉杆前后摆动六阶48.4水箱左右摆动2.3 多路况 PSD 谱编辑通过对各路况 PSD 谱分析和冷却模块计算模态分析，确定容易激起冷却模块共振从而造成危险点剧烈振动变形的路况，进一步计算关心频带内危险路况的疲劳损伤谱 FDS，最终完成台架模拟试验用随机功率谱密度 PSD 的计算。如图 3 所示，由 2.1 节分析得到的各路段加速度响应信号的峰值及频率，在各方向上的峰值频率为 11、17、23、33Hz。对比 2.2 节冷却模块的模态分析结果，在 X 方向 11.8Hz 处存在冷却模块整体前后摆动。Y 方向 27.7Hz 和 34.9Hz 存在左右摆动，导致水箱摆动引起护板局部变形。Z 方向无明显振动。计算模态结果与斜搓板路、直搓板路和比利时路峰值频率相接近，会产生共振。因此推断该三种路况为失效风险路段，Y 方向为主要失效方向。其中比利时路况历时 305s，占总测试时长的57.9%。章节 1 中的疲劳损伤谱 FDS 计算流程可在软10510101015102002040频率/Hz6080100疲劳损伤10510101015102002040频率/Hz6080100疲劳损伤10010510101015102002040频率/Hz6080100疲劳损伤斜搓板路直搓板路比利时路斜搓板路直搓板路比利时路斜搓板路直搓板路比利时路(a)危险路况 X 向疲劳损伤谱曲线(b)危险路况 Y 向疲劳损伤谱曲线(c)危险路况 Z 向疲劳损伤谱曲线图 3 各路况疲劳损伤谱曲线48中国测试2024年3月件 nCode 中完成。输入失效点处各路况下时域响应信号，结合护板材料 S-N 曲线参数及冷却模块系统振动参数 K 和，输出得到频域内的疲劳损伤谱。根据公式(7)对各路况的 FDS 进行线性叠加，计算三种路况的 FDS 总和。根据公式(8)进一步创建与实际路面试验时长 347s 等效的台架试验用随机功率谱 PSD。多路况总 FDS 曲线，如图 4 所示。生成台架试验用随机功率谱 PSD，如图 5 所示。10010510101015102002040频率/Hz6080100疲劳损伤X 向Y 向Z 向图 4 多路况总 FDS 曲线10010110210310402040频率/Hz6080100加速度功率谱密度/(g2Hz1)X 向Y 向Z 向图 5 台架试验随机功率谱 PSD 曲线2.4 振动加速因子推导根据结构响应信号 PSD 函数的谱参数，即谱宽系数 和谱型不规则因子，将随机振动定义为窄带过程和宽带过程9。对于窄带过程，随机振动持续时间 T 内产生的损伤均值为10：D（T）=n2TA(2s)b(1+b2)(8)式中：n结构固有频率；s响应应力均方根值。根据 Miner 原理，结构在保持激励谱谱型不变，提高振动量级 Ws1(f)为 Ws2(f)条件下，窄带过程中的累计损伤为D1（T）=n2TA(2s1)b(1+b2)(9)D2（T）=n2TA(2s2)b(1+b2)(10)D1（T）=D2（T）保持累计损伤相等，。则有：T1T2=(s1s2)b(11)式中：T1原始道路试验时长；T2目标台架试验时长。故有振动加速因子=s2s1=(T2T1)b(12)在宽带过程作用下，可以推导出相同的振动加速因子计算方程(12)。结合实际道路试验和台架试验标准，斜搓板、直搓板和比利时路满里程下的测试时长为 205h。按照企业验收标准，当产品出现失效时，道路试验里程（时长）需再增加 50%。室内台架试验的目标时长为 20h。则有 T1=307.5h，T2=20h。根据文献11，可 估 算 得 到 护 板 材 料 S-N 曲 线 参 数 b=0.1139，得加速因子=1.359。加速后的振动量级为：Ws2(f)=2Ws1(f)=1.85Ws1(f)。3 台架试验验证为验证加速谱编辑的合理性，采集各方向上的复现及加速试验响应信号，分别从时域、幅值域、频域角度与原始谱进行了对比。3.1 台架试验信号与原始谱时域对比以失效点位置作为主考察点，统计数据如表 4所示。均值表示信号中直流分量，其物理意义为零点漂移趋势。台架响应信号均值更小，对比原始谱减少了漂移量、更为稳定。标准差反映一组数据的离散程度，台架试验中减少了高频低幅值响应，标准差有微小增大；而均方根值表征信号的能量水平，台架试验中减少了高频低幅值响应，所以均方根值有相应提升。X、Z、Y 三个方向上的标准差和均方根相应增加了 16.32%，15.80%，6.39%。表 4 复现信号与原始谱时域特征对比参数XYZ原始谱 台架响应原始谱 台架响应原始谱 台架响应均值0.0540.0020.0550.0010.0090.001标准差0.9791.141.0231.1871.4241.515均方根0.9811.141.0251.1871.4241.5153.2 台架试验信号与原始谱幅值对比雨流计数法从动强度（幅值）和静强度（均值）两个变量对载荷历程进行计数，根据载荷历程全循环的幅值，统计各幅值区间内对应的频次，得到频第50卷第3期魏峰，等：强化坏路工况下冷却模块的加速耐久试验研究49次直方图。对台架复现信号和原始谱的雨流计数结果进行对比，如图 6 所示。各方向上台架试验响应信号减少了低幅值低均值循环次数。整体幅值分布与原始谱分布范围一致，保持原有幅值主要特征。25020015010050002.55.07.510.05.05.02.52.5循环数幅值/g均值/g25020015010050002.55.07.510.05.05.02.52.5循环数幅值/g均值/g(a)原始谱 Y 方向雨流循环计数(b)复现谱 Y 方向雨流循环计数图 6 雨流计数直方图3.3 台架试验信号与原始谱频域对比将台架试验中冷却模块失效点处的振动响应信号作为输入，分析道路试验和台架试验中的 FDS，对比两种试验中的频域损伤特征。如图 7 所示为Y 方向 FDS 曲线对比，在关注的频率段内，两种响应信号的 FDS 具有相同的变化趋势，均在 11Hz，17Hz，23Hz 处存在损伤峰值，曲线整体覆盖了原始谱的损伤量，保留了原始谱的频域特性。原始谱复现谱10510101015102002040频率/Hz6080100疲劳损伤图 7 Y 方向 FDS 曲线对比3.4 加速谱频域特性对比基于频域加速理论的谱编辑法是在原始谱PSD 的基础上，提升激励量级从而实现强化。由冷却模块失效点处振动响应信号 PSD 分析可知，加速前后能量分布频带主要集中在 0100Hz，曲线趋势保持一致，在 11Hz，17Hz，23Hz 处保留了斜搓板、直搓板、比利时路段的 PSD 峰值特征。基于振动加速因子的加速谱 PSD 曲线相对复现谱 PSD 曲线整体上移，各频率上的能量放大，从而缩短耐久试验时长。图 8 为失效点处加速谱与复现谱 PSD 曲线对比。100105加速度功率谱密度/(g2Hz1)02040频率/Hz6080100X 向复现谱X 向加速谱Y 向复现谱Y 向加速谱Z 向复现谱Z 向加速谱图 8 失效点加速前后 PSD 曲线对比疲劳损伤谱对比：采集 347s 时长台架模拟试验循环响应的信号进行 FDS 计算，对比失效点处 Y向加速谱与原始谱 FDS 曲线，如图 9 所示。通过振动加速因子强化后的响应信号，疲劳损伤谱在曲线趋势上保持一致，加速后的损伤度更高，表明各频率上的损伤量得到提升，从而达到了将道路试验中307.5h 的试验缩短至 20h 完成的目的。加速谱复现谱10510101015102002040频率/Hz6080100疲劳损伤图 9 失效点处 Y 方向 FDS 曲线对比4 试验验证结果通过使用路谱迭代技术，识别振动系统的传递特性，获取满足精度要求的激励信号，驱动单轴振动试验台进行耐久试验12。根据失效风险分析结果，制定台架试验方案。在 X 和 Z 方向失效风险最小，Y 方向最严重。因此按照 X、Z、Y 的顺序依次完成各方向 20h 的耐久试验。经过三组对照试验，结果显示，X 和 Z 方向完成了 20h 耐久试验，三组试验均未出现失效破坏。在 Y 方向耐久试验过程中，三组试验均在 11h 后护50中国测试2024年3月板顶部产生裂纹，17h 后护板完全断裂、水箱脱落，如图 10 显示。且其他部位未出现损伤破坏。失效形式和部位与道路试验保持一致。57h 的台架试验完成与 307.5h 的道路试验损伤当量。验证了加速谱的有效性。(a)道路试验护板失效(b)台架试验护板失效图 10 失效形式对比5 结束语为了快速复现商用车冷却模块坏路试验故障，本文应用疲劳损伤谱理论，编制了台架试验的PSD 谱。从时频域特征和失效形式论证了加速试验载荷谱编制的有效性和合理性。1）基于实测载荷谱的频谱分析和冷却模块的模态分析结果，判断道路试验中失效风险较大的路况，并完成载荷谱的筛选及编辑，结合实际试验时长需求，计算加速因子。2）从时域、幅值域和频率域的角度，对原始谱和台架复现信号进行对比，结果表明复现信号有效的还原了原始谱的时频域特征，加速后的 PSD 分布趋势与复现信号保持一致，各频率上的损伤度得到提升。3）在台架耐久试验中，冷却模块的失效形式和部位与道路试验一致，从结果上证明加速编制的准确性，并缩短试验周期，为之后同类型产品的验证试验提供参考方案。参考文献 ABDULLAHS,NIZWANCKE,NUAWIMZ.Astudyoffatigue data editing using the short-time fourier transform(STFT)J.AmericanJournalofAppliedSciences,2009,6(4):565-566.1高博,张忠,王帅,等.疲劳损伤谱时域、频域计算方法及其等效性验证J.装备环境工程,2021,18(10):52-57.GAO B,ZHANG Z,WANG S,et al.Time domain andfrequency domain calculation methods for fatigue damage2spectrum and their equivalence verificationJ.EquipmentEnvironmentalEngineering,2021,18(10):52-57.谢春稳,杨文平,郝新纲,等.基于振动特性仿真的机翼单向阀试验改进J.中国测试,2020,46(10):130-137.XIECW,YANGWP,HAOXG,etal.Testimprovementofaircraft wing check valve based on vibration 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