道路模拟试验用载荷谱样本选择方法.pdf

2004054道路模拟试验用载荷谱样本选择方法张觉慧 金 锋余卓平(上海大众汽车有限公司,上海 201805)(同济大学汽车学院,上海 200092)摘要 以某B型车后桥在标准试车场测得的载荷谱为例,提出运用疲劳统计学母体存活率估计量和向量模相结合的基本数学方法,建立多参数条件下选取存活率为50%载荷谱样本的法则,阐明获取具有一定存活率条件下的载荷谱样本选取方法。叙词:道路模拟试验,损伤,存活率A Method of Selecting Load Spectra for Road Simulation TestZhang Juehui&Jin FengShanghai Volkswagen Automotive Co.,Ltd.,Shanghai201805Yu ZhuopingSchool of Automotive Engineering,Tongji University,Shanghai200092 AbstractBy combining two math methods of survival estimate in fatigue statistics and vctor amplitude,a method of selecting the load spectra sample with 50%survival ratio under multi2parameter condition is pro2posed1And the procedure is illustrated taking the load spectra of a vehicle rear2axle obtained from a standardproving ground testing as an example.Keywords:Road simulation test,Damage,Survival ratio原稿收到日期为2003年6月9日,修改稿收到日期为2003年8月29日。1 前言室内道路模拟试验就是通过寻找道路试验与室内试验台试验的某种相关性,对整车和零部件的某些关键点位进行有针对性的疲劳试验,保证几天或几个星期道路模拟试验在整车或零部件上的累积损伤总量等于在实际道路条件下几年产生的累积损伤总量,使得整车开发在系统上和零部件上的缺陷在早期设计阶段就能被诊断并加以改进和优化。提高道路模拟试验(加速试验或称关键寿命疲劳试验)与实际道路试验条件的相关性主要取决于以下几个重要关键点:(1)道路模拟疲劳试验所用的载荷谱是否具有一定的代表性,也就是说是否能反映驾驶习惯和行驶的道路情况;(2)道路模拟试验台是否能模拟出整车或零部件某种受力情况以达到关键点疲劳损伤等同于道路上的累积损伤;(3)道路环境模拟;(4)试验结果评价。载荷谱的选择对产品寿命的预测、设计、优化以及开发周期和成本,提高产品竞争力都具有极其重要的意义。各大汽车公司都非常重视,并有各自的选取方法。作者针对第(1)个关键点,以某B型车后桥在标准试验场测得的载荷谱为例,阐述如何得到存活率为50%的载荷谱样本以满足道路模拟试验需要。2 道路试验数据采集为了获得具有一定代表性的载荷谱统计结果,消除偶然因素和驾驶习惯的影响,采谱工作由3名驾驶员在规定的试车场道路上采样5次/人。而对道路模拟试验,在实验室再现后桥在道路上所受的疲劳损伤,重要的是合理地确定数据(载荷谱)采集2004年(第26卷)第2期 汽 车 工 程Automotive Engineering2004(Vol.26)No.2点位置,以便于道路模拟试验时的迭代控制和确保试件关键点损伤与道路保持一致,因此数据(载荷谱)采集点位置的确定必须考虑以下2个方面。211 控制采集点的选择控制采集点是道路模拟试验中用于迭代的点(称远程控制点),此点道路模拟响应谱与道路上的响应谱损伤误差一般要求小于15%,这些点的选取原则是:(1)尽可能与某一试验驱动力成线性关系而与其它试验驱动力成正交关系,便于迭代尽快收敛;(2)尽可能靠近监测采集点,以便监测点处的道路模拟疲劳损伤接近实际道路损伤。道路对后桥所产生的作用力是决定后桥疲劳损伤的主要因素,把它们作为道路模拟试验中的迭代再现控制数据是保证道路模拟试验成功的关键。过去受测量传感器限制,无法直接测量这些力,因而只能在车轮轴头上放置加速度传感器和位移传感器,采集间接数据作为模拟试验用的控制数据。由于所布置的传感器与试验台作用在车轮上的载荷存在耦合现象,所以这些道路数据再现结果并不十分理想。随着汽车测试技术的发展,出现了车用六分力测量轮,它能直接测出车轮上所受的纵向、侧向、垂向力及绕这3个力方向上的3个力矩。在道路模拟试验中利用IGEL测量轮传感器作为迭代控制参数,可以大大降低迭代所需时间,在车桥这类的多轴汽车零部件试验中,测量轮是非常有效、省时的。文中涉及的研究就采用了这项技术,用2个后轮(测量轮)上的12通道的力参数作为道路模拟试验用的控制采集点。212 监测采集点的选择为了掌握好模拟试验精度,有必要选择监测采集点监控后桥危险截面点上室内试验与道路试验应变时间历程。一般要求85%以上监测采集点的道路模拟损伤满足实际道路上各监测点损伤要求。当然,控制采集点模拟精度越高,监测采集点的模拟精度也越高。确定监测采集点位,采用了后桥静态载荷标定和有限元计算及与过去试验经验相结合的办法,找出后桥上的应力危险区域(应力相对较大区域),认为此区域是裂纹最易产生的区域。在这些区域上贴应变片作为监测采集点。在文中论述的后桥试验中,选定了后桥上18个应力相对较大点位作为监测采集点。在道路试验中采集的控制采集点和监测采集点数据组成多通道载荷谱样本。3 道路模拟试验用载荷谱样本的选择在道路采谱时一般要测5遍,按顺序或倒序选取存活率为50%的损伤样本,作为具有特定用户定义下的时间历程和今后道路模拟试验的迭代目标。311 疲劳累积损伤理论的概念目前在工程中广泛应用的疲劳损伤理论是1945年Miner提出的Palmgren-Miner线性累计损伤法则。该理论假设:试样所吸收的能量达到极限值W时产生破坏。在此假设下,若作用在试样上的加载历史由m个不同的应力水平构成,各应力水平下的循环次数为n1,n2,nm,疲劳寿命为N1,N2,Nm,根据线性累加规律,则总损伤D=mi=1ni/Ni(1)当D=1时,试样吸收的能量达到极限值W,试样达到破坏。疲劳失效以前所经历在外加应力下应变循环数称为疲劳寿命。外加应力水平和标准试样疲劳寿命之间的关系曲线称S-N曲线(亦称Woehler曲线),在双对数坐标中S-N曲线一般为一条直线。312 数据选取原则由于载荷谱采集是一个随机过程,其每个样本中各对应元素时间历程具有一定的离散性。限于时间等因素,只能采集若干个样本,为了得到具有代表性的整车和零部件的损伤样本(50%存活率),按经验若5次采样,有95%的把握,使50%存活率的样本误差限度在5%以内1。利用统计学小样本样本选取方法(Rossow方法2),可得到存活率为50%概率密度的样本。31211Rossow抽样原则(50%存活率)2根据理论证明,无论被抽样的母体为何种分布(无论F(x)为何种频率函数),当子样较小时可用Rossow方法来确定各个样本所对应的存活率估计量。得到n个观测值,按大小顺序排列为X1 X2 Xi Xp)F(Xp)=P(X Xp)=12Xpe-(X-)222dX(4)显然,当研究对象X为对数疲劳寿命时,则F(Xp)相当于存活率。设 U=X-(5)通过置换可得F(Xp)=P(X Xp)=12Upe-U22dX(6)其中Up=Xp-(7)由此可见随机变量Xp与存活率F(Xp)之间的关系是通过Up联系在一起的。其中为母体平均222汽 车 工 程 2004年(第26卷)第2期值,也即存活率为50%的X值,即X50;为母体标准差,Up通过式(6)与存活率P相联系。Up称标准正态偏量,可通过查标准正态偏量表得到存活率与标准正态变量的一一对应关系。当研究对象X为对数疲劳寿命lgN时,则将式(7)变为lgN50=lgN p+Up3(8)412 有限寿命下的疲劳设计,确定存活率为50%(中值疲劳寿命)载荷谱样本的循环次数在产品设计开发阶段,设计工程师必须提出零部件概率疲劳设计要求,或称疲劳可靠性设计要求,比如要求汽车安全零部件在某种道路组合条件下(如某试车场道路)行驶10万km,允许此零部件失效率为10%条件。按现代工艺技术制造的成批零部件,其一般疲劳寿命对数离散度log0.2时认为产品不合格。因此当某零部件的疲劳寿命离散度未知时,为零部件设计安全起见,取log=0.2来定义该产品的疲劳寿命对数离散度。以后桥零部件设计为例,若要求在试车场道路上行驶10万km,只允许10%的试件损坏,也即存活率为90%,那么存活率为50%的行驶里程由式(8)得出lgN50=lgN90+U90(9)其中U90为存活率90下标准正态偏量,N90为存活率90下的公里数,为对数疲劳寿命的标准差。查标准正态偏量表1得,当存活率为P=90%时,Up=1128。在没有试验数据时,由上所述可知,为设计方案安全起见,其对数疲劳寿命标准差可近似取为012;由式(9)求得N5018万km。这样存活率为50%的后桥行驶公里数(或称后桥中值疲劳寿命)要达到18万km。对应室内道路模拟试验,后桥存活率为50%的寿命也必须达到在试车场道路上的18万km的损伤值。由室内道路模拟试验载荷谱循环次数公式C=Rq/Me(10)式中C为室内道路模拟试验载荷谱循环次数;Rq为在典型路面上所要求的实际行驶公里数;Me为在典型路面上采集路谱所行驶的公里数。如上述在试车场道路上每圈采样长度为20km,当对后桥响应谱迭代后,后桥上各点的损伤满足实际典型路面上各点的损伤要求(见211,212节),则载荷谱直放循环次数为C=180000/20=9000(次)围绕这个试验次数制定一系列试验标准,来判断整车或零部件是否合格。5 结论得出汽车后桥道路模拟疲劳试验用载荷谱样本选择方法,其要点是:(1)以后轮上的六分力数据作为道路模拟试验用的控制参数,以后桥危险截面点上的应变数据作为监测参数;(2)利用小样本选取方法和S2N曲线获得存活率为50%的载荷谱;(3)通过疲劳寿命对数离散度的概念,确定利用该载荷谱使后桥在试验台上再现损坏里程所需的循环试验次数。该方法经实际使用,效果良好。参考文献1 赵少汴,王忠保 1 抗疲劳设计 方法与数据 1 北京:机械工业出版社,19972Erwin Haiba,Betriebsfestigkeit.VDI-Verlag GmbH,Duessel2dorf,Print in Germany,1989,ISBN 3-18-400828-23 高镇同 1 疲劳应用统计学 1 北京:国防工业出版社,19864Wang Jerry Z,et al.Power Steering System Key2Life Test Proce2dure Development.SAE 2001-01-07855 石来德 1 机械的有限寿命设计和试验 1 上海:同济大学出版社,19903222004年(第26卷)第2期 汽 车 工 程