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第期(总第 期)年月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o A u g 文章编号:()关联用户道路与试验场的迭代算法研究王明东(大运汽车股份有限公司,山西运城 )摘要:以某牵引车型为研究对象,阐述了一种建立汽车试验场与用户道路当量关系的迭代算法.首先利用标定系数法得到轴头六分力与应变的关系,然后在试验场和用户道路分别采集应变数据,通过解耦得到两种工况下的轴头六分力.以轴头六分力为关联目标,利用迭代算法进行用户道路和试验场的相关计算,得到试验场各种特征路面的循环次数.关键词:轴头六分力;迭代算法;汽车试验场;用户道路中图分类号:U 文献标识码:A收稿日期:;修订日期:作者简介:王明东(),男,山东泰安人,工程师,本科,从事汽车设计工作.引言针对商用车试验场可靠性试验,为了避免试验场与用户道路当量偏差太大,需要建立一套适合于自身车型的跑车规范,轴头六分力最适合作为衡量这种等价关系的物理量.本文采用的方法是在轴头粘贴应变片并按不同的分力组成电桥,在台架上标定出个分力与每组电桥应变的关系,并对采集的应变数据进行解耦得到轴头六分力;最后,基于雨流计数法和等损伤原则,利用本文迭代算法进行试验场与用户道路的当量关系计算.六分力的解耦 电桥的组成方式六分力的测量和解耦是通过组惠斯通应变片电桥实现的,每一组电桥的接线方式、应变片粘贴方向及其位置不同(如图所示),分别用于偏重测量个分力.图中的坐标系为车辆坐标系,左侧视图为某轴头垂向视图,右侧视图为同一轴头旋转 后视图.不同位置的应变片用不同的颜色表示,边线为实线的应变片贴在可见的一侧,边线为虚线的应变片贴在相反一侧.轴头承受Fx时,测Fx电桥可以测量剪力产生的切应变;轴头承受My时,测My电桥可以测量扭转变形产生的切应变;轴头承受Mx时,测Mx电桥可以测量弯曲变形产生的拉应变;轴头承受Fz时,测Fz电桥可以测量剪力产生的切应变;轴头承受Mz时,测Mz电桥可以测量弯曲变形产生的拉应变;轴头承受Fy时,测Fy电桥可以测量拉伸变形产生的拉应变.每个电桥的输出电压为:UO RRUEk UE()其中:UO为电桥的输出电压;R为应变片的电阻值;R为每个应变片的电阻变化值;UE为电桥供电电压;k为应变片系数;为应变.图组惠斯通电桥的应变片布置及接线方式 标定和解耦标定的目的是获得六分力各个分量与每组电桥应变的标定系数.例如当标定My时,组电桥都会输出应 变,且 与My都 呈 线 性 关 系,标 定 系 数 分 别 为Ax z、Ax z、Ax z、Ax z、Ax z、Ax z.同理可得到其他组标定系数.以中桥左轴头为例,My的标定方法如图所示.图中桥左轴头My标定解耦过程就是利用式()中等号左侧的应变向量和右侧的标定系数矩阵求解等号右侧的个分力:AxAyAzAx yAx zAy zAxAyAzAx yAx zAy zAxAyAzAx yAx zAy zAxAyAzAx yAx zAy zAxAyAzAx yAx zAy zAxAyAzAx yAx zAy zFxFyFzMzMyMx()通过标定得出中桥左轴头的标定系数矩阵如表所示.利用自主开发的解耦软件对每一种特征路面进行解耦,图为在汽车试验场不同特征路面上中桥左轴头解耦后的轴头六分力.试验车有个轴头,共 个通道.表中桥左轴头的标定系数矩阵/N或/(Nm)电桥Fx(N)Fy(N)Fz(N)Mx(Nm)My(Nm)Mz(Nm)第组(测Fx)第组(测Fy)第组(测Fz)第组(测Mx)第组(测My)第组(测Mz)当量关系模型建立 疲劳寿命计算模型基于雨流计数和等损伤原则进行用户道路与试验场当量关系的计算.当量关系模型建立的第一步就是进行试验场特征路面和用户道路所有通道的损伤计算,可以利用B a s q u i n模型建立当量关系.B a s q u i n模型表达式为:FSf(Nf)b()其中:F为个分力和力矩(Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz);Nf为对应的疲劳寿命;Sf和b为取决于材料性能的常数.当量关系模型及最小二乘解对于 个通道中的每个通道,其当量关系模型可表示为:yyyynX X X XmX X X XmX X X XmXnXnXnXn mAAAAm()其中:yi为用户道路数据落在第i个幅值区间的次数;Xi j为第j种路面数据落在第i个幅值区间的次数;Aj为第j种路面的循环次数;i,n;j,m.区间总数n往往大于路面种类数m,所以式()是一个超定方程组,一般来说超定方程组没有解,但存在最小二乘解.设riyimjXi jAj,则使得niri最小的解Aj(j,m)称为最小二乘解.Inirini(yimjXi jAj)最小的条件是IAj,即ni(yimjXi jAj)Xi j,解此方程可得到最小二乘解Aj(j,m).但这样得到的每个通道的Aj都不同,可以再次利用最小二乘法得到n个通道循环次数的最优解Aj.图中桥左轴头六分力解耦结果 年第期王明东:关联用户道路与试验场的迭代算法研究 误差计算与迭代第一次迭代,由 中Aj得到试验场第i个通道的伪损伤DimjAjDj,i(i,n),其中Dj,i为第j种特征路面第i个通道的伪损伤.用户道路第i个通道的伪损伤为Du,i,则损伤误差 DiDu,iDi.修正后的第i个通道对应第j种路面的循环次数Aj,iAj DiDu,iAj,其中为误差增量系数,利用最小二乘法得到n个通道循环次数Aj,i的最优解Aj.第二次迭代,DimjAjDj,i,损 伤 误 差 DiDu,iDi,则修正后的循环次数Aj,iAj DiDu,iAj,利用最小二乘法得到n个通道循环次数Aj,i的最优解Aj.这样一直按照Akj,iAkj DkiDu,iAkj迭代下去,直到均方根误差RM Snni(Dk i)达到设定值以下,则Akj(j,m;k表示第k次迭代)就是最终的试验场特征路面循环次数.软件算法当量关系模型算法流程如图所示.以种试验场特征路面为例,用户道路数据里程 k m.经调研,牵引车的用户路况信息如表所示.利用该当量关系模型和自主开发的软件进行计算,计算迭代过程如图所示.由图可以看出,迭代过程是收敛的;经过了次迭代,均方根误差达到设定值以下.软件计算的结果如表所示.图当量关系模型算法流程图计算结果验证利用疲劳寿命分析软件分别计算表所示的用户道路和表所示的计算结果对中桥左轴头产生的损伤,分析本文所述的用户相关模型的准确性.本相关模型所采用材料的SN曲线的斜率值k有和两个值,分别针对韧性不同的材料.所以在进行验证时,对k的取值要与本模型一致,同时考虑平均载荷的影响.验证结果如图所示,横坐标为六分力各分量,纵坐标为各分力在试验场产生的损伤和在用户道路产生的损伤,其中用户道路的损伤归一化到 .由图可以看出,各分量的损伤落在 之间,说明相关计算结果精确度较高.表牵引车用户路况用户道路车速(k m/h)比例()里程(k m)高速公路 城市道路 非铺装恶劣路 图当量关系计算迭代过程表当量关系计算结果特征路面比利时路扭曲路搓板路鹅卵石路特征路面长度(m)车速(k mh)循环次数(次)图中桥左轴头六分力验证结果同理,可以将 个通道的数据全部导入软件中,经过迭代得到各特征路面的循环次数.结束语本文以某牵引车型为例,阐述了用户道路与试验场道路当量关系模型的建立.首先,在每个轴头上粘贴组应变电桥,通过标定得到电桥与六分力的标定系数矩阵.然后用MAT L A B开发了解耦软件用于将应变转化为六分力,利用自主开发的迭代算法设计了当量关系模型计算软件,以六分力为依据完成了用户道路与试验场道路当量关系的计算.所采用的迭代算法基于雨流计数原理和疲劳等损伤准则,建立的用户道路和试验场的当量关系较为准确.参考文献:张然治疲劳试验测试分析理论与实践M北京:国防工业出版社,门玉琢,李显生,于海波与用户相关的汽车可靠性试验新方法J机械工程学报,():(下转第 页)机 械 工 程 与 自 动 化 年第期 仿真结果分析将测点、打磨前、后的焊缝不平顺引入三维瞬态有限元轮轨接触模型进行计算,得到的轮轨垂向接触力时程曲线以及最大轮轨接触动态力如图 和表所示.表中,轮轨垂向动态力轮轨垂向接触力静载(k N).图 测点、打磨前、后轮轨垂向接触力时程曲线表打磨前、后最大轮轨垂向动态力k N位置测点测点打磨前 打磨后 降幅()结合图 和表的结果可知:车轮通过打磨后焊缝区域的轮轨垂向接触力显著降低,测点位置车轮通过焊缝区域最大轮轨垂向动态力从 k N下降至 k N,降幅为 ;测点位置车轮通过焊缝区域 最 大 轮 轨 垂 向 动 态 力 从 k N下 降 至 k N,降幅为 .结合平直度与粗糙度结果可以说明:通过小机打磨钢轨焊接接头不平顺问题得到了有效改善,整治效果良好.结语仿形精磨小机用于钢轨打磨时,不会影响钢轨廓形,并对钢轨廓形有一定的修正作用.经小机打磨后,钢轨焊接接头不平顺得到控制,不平顺的粗糙度结果均满足规范要求.通过仿真计算,打磨后较打磨前高速列车通过钢轨焊接接头区域时轮轨垂向动态力降幅超.综上所得,使用仿形精磨小机对钢轨焊接接头不平顺整治效果良好.后续工作应进一步开展对精磨机的开发以及小机打磨工艺的研究,将钢轨焊缝打磨工作进一步完善.参考文献:卢祖文高速铁路轨道技术综述J铁道工程学报,():I s h i d aM,A b e NR e l a t i o n s h i p b e t w e e n r a i l s u r f a c ei r r e g u l a r i t ya n db e n d i n gf a t i g u eo fw e l d e dp a r ti nCWRC/F i f t h I n t e r n a t i o n a l H e a v y H a u l C o n f e r e n c e B e i j i n g:s n ,:高建敏,翟婉明高速铁路钢轨焊接区不平顺的动力效应及其安全限 值 研 究 J中 国 科 学:技 术 科 学,():高新平,习年生,高文会钢轨焊接接头低塌的原因分析与对策J铁道建筑,():郭俊轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究D成都:西南交通大学,:杨新文,翟婉明,和振兴高速列车通过钢轨焊接接头时引起的轮轨冲击噪声的研究J振动与冲击,():,胡志成 NMG 型钢轨仿形精密打磨机的设计及使用研究J上海铁道科技,():,周丹麦,周世恒,戴虹一种高精度的钢轨焊接接头仿形打磨系统J电焊机,():张翔钢轨焊接接头精磨机研制D成都:西南交通大学,:周成,高建敏基于三维轮轨瞬态动力学模型的钢轨波磨不平顺动力影响与识别J铁道科学与工程学报,():A n a l y s i so fT r e a t m e n tE f f e c t o fH i g hS p e e dR a i l w a yP o l i s h i n go nI r r e g u l a r i t yo fR a i lW e l d sMOZ h i j u n(T r a c kM a i n t e n a n c eD e p a r t m e n t,C h i n aR a i l w a yN a n n i n gG r o u pC o,L t d,N a n n i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep r o f i l i n gf i n eg r i n d i n gs m a l lm a c h i n e i su s e dt or e c t i f yt h eu n e v e n n e s so f t h e r a i lw e l d e d j o i n t a t t h ea b n o r m a l p l a c eo fa l i n e T h e r a i l p r o f i l e,r a i lw e l d i n g j o i n t s t r a i g h t n e s s a n dr o u g h n e s sd a t a a n a l y s i sb e f o r e a n da f t e rp o l i s h i n gw e r e c o m p a r e d At h r e e d i m e n s i o n a l t r a n s i e n tf i n i t ee l e m e n tw h e e l r a i lc o n t a c tm o d e li si n t r o d u c e dt os i m u l a t et h ei m p a c tr e s p o n s eo fh i g h s p e e dt r a i n st h r o u g hu n e v e na r e a so f r a i lw e l d e d j o i n t s T h e r e s u l t ss h o wt h a t t h es m a l lm a c h i n eg r i n d i n gh a sm a d ec e r t a i nc o r r e c t i o n s t o t h e r a i lp r o f i l e,a n d i m p r o v e dt h es t r a i g h t n e s so f t h er a i lw e l d T h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s,t h ev e r t i c a l d y n a m i c f o r c eo fw h e e l a n dr a i l a tt h ew e l da f t e rg r i n d i n g i s r e d u c e db ym o r e t h a n c o m p a r e dw i t hb e f o r eg r i n d i n g I ns u mm a r y,t h eu s eo fp r o f i l i n gf i n eg r i n d i n gm a c h i n eh a sag o o de f f e c to nt h eu n e v e nr e c t i f i c a t i o no f r a i lw e l d i n g j o i n t s K e y w o r d s:r a i lw e l d e d j o i n t s;i r r e g u l a r i t y;p r o f i l i n gf i n eg r i n d e r;p o l i s h i n g(上接第 页)陈孟春,熊恭祥试验场道路当量关系研究J汽车科技,(增刊):刘再生,霍福祥,王长明,等轿车悬架台架多轴疲劳试验载荷开发J汽车技术,():黄松,夏武超,陈军祥以道路载荷谱为基础建立汽车零部件的当量寿命J汽车科技,():,S t u d yo f I t e r a t i o nA l g o r i t h mA s s o c i a t i n gR e a lR o a dw i t hP r o v i n gG r o u n dWA N G M i n g d o n g(D a y u nA u t oC o,L t d,Y u n c h e n g ,C h i n a)A b s t r a c t:R e g a r d i n go n e t r a c t o ra so b j e c t,t h et e x te x p a t i a t e so n ek i n do f i t e r a t i o na l g o r i t h ma s s o c i a t i n gr e a l r o a dw i t ha u t o m o b i l ep r o v i n gg r o u n d F i r s t l y,t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es i xa x i sw h e e l f o r c ea n ds t r a i ni so b t a i n e db yu s i n gt h ec a l i b r a t i o nc o e f f i c i e n tm e t h o d T h e n,t h es t r a i nd a t aa r ec o l l e c t e di nt h et e s ts i t ea n dt h er e a l r o a dr e s p e c t i v e l y,a n dt h es i xa x i sw h e e l f o r c eu n d e rt w ow o r k i n gc o n d i t i o n sa r eo b t a i n e db yd e c o u p l i n g T a k i n gt h es i xa x i sw h e e l f o r c ea st h ec o r r e l a t i o nt a r g e t,t h e i t e r a t i v ea l g o r i t h mi su s e dt oc a l c u l a t e t h er e a l r o a da n dt h ep r o v i n gg r o u n d,a n dt h ec y c l e t i m e so fv a r i o u sc h a r a c t e r i s t i cr o a d s i nt h ep r o v i n gg r o u n da r eo b t a i n e d K e y w o r d s:s i xa x i sw h e e l f o r c e;i t e r a t i o na l g o r i t h m;a u t o m o b i l ep r o v i n gg r o u n d;r e a l r o a d机 械 工 程 与 自 动 化 年第期