多轴雨流应用.doc

目标用户道路谱与试验场道路谱的载荷当量等效模拟研究
吴建国 魏传峰 周鋐 陈栋华
1 前言
    道路试验是汽车开发过程中不可或缺的重要阶段，它包括在高速公路、普通路面、恶劣道路以及各种特殊路面上的测试，是一种检验汽车性能的有效手段。由于西方国家的路面条件与我国实际情况存在较大差异，因而难以参考国外引进的试验规范和试验路面谱，例如福特公司的Jerry Z. Wang和Mark W. Muddiman等人曾于1996年至1997年对中国用户道路载荷谱与福特公司在美国和比利时的试车场道路载荷谱进行了比较研究，发现在国外某种道路路面上不会发生故障的零部件却在国内出现刚度强度问题。另外我国幅员辽阔，各地道路情况差异较大，因而也有必要对典型地区道路载荷谱进行分析，找出其与试车场道路载荷谱对应关系，可为制定适合我国的试验谱系及规范提供理论依据和有效参数。
    将地区道路等效成试车场道路不同路段混合而成的组合路段，即得到地区道路与试验场道路载荷谱的当量关系，就可在试车场按一定比例混合各种路面来再现目标用户地区道路载荷输入，进一步扩展外推后，便可了解较长里程后的损伤情况，达到加速试验的目的。 本文通过使用LMS Tecware对后桥载荷谱的分析，根据调查确定的用户使用道路的组成比例和里程，得出用户道路载荷谱与试车场道路载荷谱的当量关系，可作为产品设计部门的自主开发和符合我国道路特点的试验标准制定的参考，具有实际指导意义。
    本文通过使用LMS Tecware对后桥载荷谱的分析，根据调查确定的用户使用道路的组成比例和里程，得出用户道路载荷谱与试车场道路载荷谱的当量关系，可作为产品设计部门的自主开发和符合我国道路特点的试验标准制定的参考，具有实际指导意义。
2 道路载荷谱的采集
    研究选择安徽某试车场强化试验路段作为道路谱采集的试验道路。试验道路一个循环总长为6.6km，共设有16种特殊路面，包含轿车使用过程中可能遇到的各种路面状况。为考察实际用户使用道路与试验场道路间的组合关系，根据国内某著名汽车公司的用户调查统计确定典型地区道路分别选取江苏某地高速路段、浙江某市郊区普通沥青路段、浙江某市山路和市区严重破坏沥青路面，分别用于代表高速公路、一般道路、山路和恶劣道路。试验车辆是一部装备齐全、经过磨合期后且车况良好的某典型中级轿车，装有5挡手动变速器，并按要求配重。试验信号采集装置和试验轿车测量轮如图1所示。 

图1 信号采集装置和轿车后轮照片
3 道路载荷谱的研究
    调查发现一般用户通过高速公路、一般道路、山路和恶劣道路的里程比例分别为40%、50%、5%和5%。为考察实际用户使用道路与试验场道路间的组合关系，这里将试车场各种特殊路段通过分割、外推和拼接来等效模拟4000Km高速公路、5000Km一般道路、500Km山路和500Km恶劣道路总共10000Km的道路情况，并最后对实际用户道路和等效模拟道路的后桥多轴损伤进行比较，用于验证。
3.1 用户实际道路谱雨流矩阵的编辑和处理
    雨流计数法是现在使用最多的双参数统计计数法。通过雨流计数法的计算可以得到局部应力应变的循环次数，并用雨流矩阵的形式表现出来。雨流矩阵也相应被经常用于描述零件所承受的载荷谱。疲劳研究中的目标载荷谱是由道路实测时间历程在进行雨流计数后再进行外推、叠加、修正后组合而成。
    为了真实反映用户实际使用道路情况，首先采集江苏某地高速路段、浙江某市郊区普通沥青路段、浙江某市山路和市内严重破坏沥青道路四段路面各由测量轮测得的的后桥轮轴处纵向力FX、侧向力FY、垂向力FZ信号，图2为后桥轴头三分力作用点位置和方向示意图。然后使用载荷分析软件分别进行雨流计数，按照组合比例40%、50%、5%和5%分别推广到4000Km、5000Km、500Km和500Km。再将四段道路进行雨流叠加后得到目标用户道路的雨流矩阵。使用Tecware进行分析的结果如图3：

图2 后桥轴头分力作用位置

图3 叠加后的用户使用道路雨流矩阵 
     一个雨流矩阵由很多含有不同峰值和谷值构成的循环所组成。雨流矩阵图中每个点对应的右坐标轴和下坐标轴数字分别表示循环历程中先后经历到的两个极值（峰值或谷值），左面和上面的数字是将右坐标轴和下坐标轴刻度按比例等分，在上图中分成100×100个小方格。每当一个循环的峰谷值落于某一方格中，便在该方格区域的循环次数上+1。次数最终用亮度表现出来，某方格循环次数越多，该方格的颜色越亮。  

3.2 用户使用道路的试车场道路等效模拟
    首先将试车场强化道路根据其路面特征状况进行归类划分，共计得到16种路段，具体见表1。分别采集各个路段的道路载荷谱信号，即轮轴分力信号，各自进行雨流计数，得到16种路段的雨流矩阵，使用载荷分析软件Tecware中的CombiTrack工具，将16个雨流矩阵分别输入至组合对象中，将3.1中叠加得到的用户使用道路雨流矩阵输入至目标对象中进行等效模拟。得到的结果如表1所示，试验场每段长度列于第二行，总计长6.6km，模拟后的每段等效路段长度＝试验场长度×权重系数（即推广的倍数）。
表1 用以等效模拟用户使用道路的试车场各类路段道路组合表

    图4是CombiTrack工具提供的两种路面的后桥名义损伤比较，Target表示用户使用道路，CombiTrack表示用来等效模拟的试车场组合道路。图5的比例值表示图4中组合路段总损伤值除以用户使用道路损伤值得到的百分比。从图中看到，等效组合道路三个方向的损伤值与实际使用道路三个方向的损伤值接近，模拟效果很好。另外从图4中也可以看出，垂向载荷带来的损伤影响最大，其次是纵向载荷，侧向载荷带来的损伤不及垂向的百分之一。

图4 用户使用道路与组合路段纵向力FX、侧向力FY、垂向力FZ名义损伤比较

图5 组合路段总损伤值除以用户使用道路损伤值得到的百分比 
3.3 多轴载荷损伤验证
    多轴载荷计算即多轴疲劳分析，是通过多通道的线性组合来计算损伤的一种方法。对多轴载荷的分析是基于普遍接受的以弹塑性力学为依据的模型以及与之相关的雨流计数法来进行的。它除了单轴雨流信息外，还包含了单个载荷之间的相位和耦合关系的信息
    为了验证试车场组合道路是否能较好地等效模拟用户使用道路，用载荷分析软件Tecware分别对两种道路进行多轴损伤分析：就用户使用道路来说，将四段典型地区道路分别进行多轴载荷分析，然后按各自比例外推到10000Km，并进行叠加；就试车场组合道路而言，对每段实测后的载荷谱分别进行多轴载荷分析，然后按照表1中权重系数进行线性外推并叠加。图6是最终得到的用户使用道路和等效模拟道路多轴损伤分析图，横纵坐标分别代表纵向载荷方向和侧向载荷方向，垂向载荷方向用一系列的同心圆来表示，此三个坐标上的数字分别表示单位矢量在该方向上的分量。损伤用亮度来表现，最亮的点即是最大损伤载荷方向，图上方的Transfer Rates用单位矢量表达了该方向，Damage中的数字表示该名义损伤最大值。最大损伤值出现分别出现在（0.567，0.007，0.824）和（0.575，0，0.818）方向，分别为7.5217×10-16，7.4654×10-16， 比较相似，证明等效模拟结果可靠，方法是正确的。

图6 多轴损伤分析图
    从多轴损伤分析图中亦能看出道路损伤主要由垂向力产生，纵向力次之，侧向力对损伤基本无影响。
4 总结
   本文基于实测后桥轴头力信号，将用户使用道路进行试车场路段等效模拟。并比较两者之间名义损伤结果，最终证实通过对试车场的各种路段的线性组合能够很好地等效模拟用户使用道路情况，这就为十万公里甚至几十万公里的道路谱采集提供了较为方便的道路谱等效处理方式。该模拟方法可推广用于各式各样的地区道路及典型路面，亦能在台架上可靠地复现实际道路载荷，还能作为虚拟试验模型的驱动信号获取方法，具有一定的指导意义；同时该研究对于实际试车场的实车试验设计提供理论依据，具有较强的实际意义。