基于频域加速的冷却模块振动试验研究

俞晓辉，韩伟，温奇伟

(上海汽车集团股份有限公司试验认证部,上海 201804)

基于频域加速的冷却模块振动试验研究

俞晓辉，韩伟，温奇伟

(上海汽车集团股份有限公司试验认证部,上海 201804)

介绍了如何将时域加速度信号转换成冲击响应谱(SRS)和疲劳损伤谱(FDS)以及冲击响应谱和疲劳损伤谱的应用。以某车型的冷却模块为研究对象，提出了通过采集冷却模块的路谱加速度时域信号转化成PSD控制台架振动耐久试验的方法。在失效模式和疲劳损伤等效的前提下，实现了试车场耐久规范与台架耐久规范的等效关联，且大大缩短了冷却模块台架试验的时间，解决了冷却模块的台架验证难题。

冷却模块；功率谱密度；冲击响应谱；疲劳损伤谱；极限响应谱

0 前言

随着近几年国内汽车工业的迅猛发展，整车厂面临的竞争将会越来越激烈。如何更快地推出新产品，缩短试验开发周期起着越来越重要的作用，已经成为赢得市场的关键因素之一。对于汽车零部件，一般需要经过台架耐久试验的验证，而台架耐久试验强度一般要与试验场耐久试验强度保持一致或者更高。文中通过采集某车型汽车冷却模块的试验场振动加速度路谱，提出了一种基于频域加速理论的关联方法，解决了如何在试验场与台架耐久试验损伤强度等效的情况下大大加速台架试验的难题。

1 冷却模块

汽车的冷却模块主要功能就是将热量散发到空气中以防止发动机过热，也要使发动机尽快升温，并使其保持恒温。主要包括散热器、冷凝器、风扇等，如图1所示。

冷却模块在汽车的使用过程中会承受来自发动机自身的振动、路面传递的振动和高温环境，使用状态比较恶劣，对耐久性设计要求比较高。为了提高产品的耐久性、缩短产品开发的周期和降低成本，需要进行台架加速试验认证。工程上传统的耐久加速试验方法是将时域路谱加以区分，删除小损伤路谱，强化大损伤路谱以达到时间加速的目的，但是此方法一般无法用于加速度振动的台架试验。对于加速度振动台架，一般的试验方法为依据某个试验标准，采用确定的连续扫频信号进行台架试验。但是这种方法比较保守，考核较严酷，无法等效试验场耐久试验强度。如果可以实现台架加速耐久试验损伤强度与试验场耐久试验损伤强度的准确关联，就能够精确合理地评估冷却模块的耐久性能。主要针对某车型的冷却模块进行试车场的加速度信号采样，利用频域疲劳损伤等效原则，最终合成加速度功率谱密度(PSD)，在台架上进行随机振动试验。

2 冲击响应谱(SRS)

冲击响应谱是一系列固有频率不同的单自由度线性系统受同一冲击激励响应的总结果。零件受冲击作用，其冲击响应的最大值意味着零件出现最大应力，即试验样品有最大的变形。因此，冲击响应的最大加速度与零件受冲击作用造成的损伤及故障产生的原因直接相关，由此引出了最大冲击响应谱。要获取冲击响应谱，首先要采集环境冲击的时域信号，然后再通过软件进行分析，获取冲击响应谱。图2是一个单自由度系统(SDOF)的模型。加速度激励信号通过这一单自由度系统计算得到最大响应，并在不同固有频率的单自由度系统下重复计算得到一系列最大响应谱。这个用SDOF 系统计算的最大响应的方法称为“冲击响应谱”(SRS)。

SRS可以作为规定冲击环境的方法之一，因此，冲击谱是对设备实施抗冲击设计的分析基础，也是控制产品冲击环境模拟实验的基本参数。利用SDOF系统计算冲击响应谱的过程如图3所示。

输入的加速度信号经过SDOF系统固有频率过滤后，得到最大响应位移(也可以是最大响应加速度，为便于理解，这里采用最大响应位移)。这样经过不同固有频率的SDOF系统得到每个频率的最大响应位移，冲击响应谱即为频率与最大响应位移的曲线。现代计算机科学的发展使得计算冲击响应谱变得非常快速准确。

3 极限响应谱(ERS)

至此可以从一段时域加速度信号获得冲击损伤谱，但对于一个随机振动的数据一般更适合于用功率谱密度(PSD)来表示。Lalanne给出了用于计算PSD极限响应谱(ERS)的公式(1)。极限响应谱(ERS)表示持续时间为t的随机PSD通过SDOF系统所得到的最大概率的极限幅值所形成的谱图。

(1)

极限响应谱(ERS)与冲击响应谱(SRS)是非常相似的两种响应谱，它们提供的频域信息是一致的。通常SRS用于描述极具破坏力的瞬态冲击的最大响应，ERS用于描述更多典型的振动载荷的期望响应。

4 疲劳损伤谱

工程中的耐久加速试验都是基于损伤等效原则，需要对采集的加速度信号进行疲劳损伤的计算，即疲劳损伤谱(FDS)，然后叠加各个疲劳损伤谱。Lalanne给出了用于计算疲劳损伤谱的计算公式。这使得频域加速理论在台架试验应用成为可能。 计算公式如下所示：

德国哲学家康德在1781年首次提出了图式的概念。1932年英国心理学家巴特利特提出“图式”在心理学中的定义。随后，教育家皮亚杰，鲁姆哈特，Carrell，Nunan等人的研究奠定了图式理论的理论基础。这些理论基础被广泛应用于后来的研究中。

(2)

计算疲劳损伤谱的过程与计算冲击响应谱的过程相似：计算每个固有频率的疲劳损伤值，然后重复不同频率的计算得到疲劳损伤值，最后绘制出疲劳损伤-频率曲线图，即为FDS。

5 台架试验合成随机振动PSD

式中： ∑FDS(fn) 为总损伤，k为安全因子。利用上述公式就可得到试验时间为teq的合成加速度PSD谱图。为避免过度加速导致疲劳失效不同，需要进行合成PSD的ERS与各个工况的ERS或SRS的比较。为了确保台架试验可以包含所有可能的最大极限值，合成PSD的ERS应该大于各个工况的最大包络ERS；同时为了减小在过严酷的载荷工况下失效的风险，合成PSD的ERS应该小于各个工况的最大包络SRS，如果合成PSD的ERS大于各个工况的最大包络SRS，表明试验加速过快，导致出现过载的情况。

但是一般情况下不太可能每个点都能同时满足上述两个要求，所以工程上一般考虑ERS、SRS的平均值只要满足上述要求即认为是可以接受的。

6 冷却模块加速试验

可以运用上述冲击响应谱、极限响应谱和疲劳响应谱的概念对新开发的冷却模块进行台架加速耐久疲劳验证，通过采集试车场各个工况的冷却模块的加速度信号，计算得到合成的台架试验PSD谱图，实现试车场与台架关联的同时，加速台架试验时间。图4为应用频域加速理论计算合成PSD谱图的流程介绍。

7 加速度数据采集

数据处理和计算的过程步骤如下：

第一步，将采集到的原始加速度数据信号进行预处理、去毛刺、去零漂等处理。

第二步，计算每个工况的冲击响应谱(SRS)和极限响应谱(ERS)，并得到各自的疲劳损伤谱(FDS)。

第三步，统计每个工况的循环次数和循环时间，用于计算叠加各工况的疲劳损伤，得到总疲劳损伤谱。另外可以分别计算各工况冲击响应谱(SRS)包络线和(ERS)包络线，用于验证合成PSD的加速程度是否合适。

第四步，利用得到的总疲劳损伤谱转化为加速台架试验的合成PSD谱，试车场试验时间大约为250 h，转化为台架试验时间为50 h，时间上加速了5倍，但损伤并没有增加，这是作者所需要得到的结果。图8为台架试验合成PSD谱的对比，加速时间为50 h和250 h(即试验不加速)。

第五步，检验台架加速后的合成PSD，利用第三步计算得到的各工况的冲击响应谱的包络线和极限响应谱的包络线进行验证。判断合成的PSD是否加速得当或者加速过度以至于引起过大的载荷。图9、图10为合成PSD计算的极限响应谱(ERS)分别与冲击响应谱和极限响应谱的对比。可以看出：合成的PSD的极限响应谱大于各工况的极限响应谱的包络线且小于各工况的冲击响应谱的包络线，由此可认为频域加速比较合理，台架可以使用此合成的PSD谱进行随机振动加速试验。

基于上面所得到的Z向合成的PSD谱图进行冷却模块的台架试验，输入此PSD谱图，试验时间为50 h，测试冷却模块的耐久性。需要注意的是:冷却模块在台架上的固定方式必须与在整车上的固定方式一致，且控制台架的加速度位置也必须与整车采集时一致。另外为精确模拟整车上冷却模块的使用情况，可以在台架试验时注入一定压力的热水，散热器中需要注入0.2 MPa的水量，冷凝器中需要注入1.725 MPa的水量。冷却模块试验台架如图11所示。

试验结果显示冷却模块Z向随机振动没有出现任何疲劳失效，在其他方向上也没有出现问题。试车场耐久试验显示冷却模块并无失效或者断裂的情况发生，所以可以认为此合成的加速PSD谱图可以替代试车场耐久试验。

8 结论

通过对冷却模块进行试车场工况的加速度信号采集，转化为台架振动试验所需要的PSD谱图输入且损伤等效的前提下，时间上加速了数倍，达到了台架与试车场的等效关联，并大大缩短了试验时间，也缩短了产品开发周期，节约了试验成本。

建议对道路采集时域信号进行更加合理的修改，以进一步提高频域加速试验精度，同时要注意试验台架夹具的设计，从而可以使台架试验结果更加可靠。

考虑到安全余量，工程上一般建议台架总损伤大于试车场总损伤的3～5倍，可以把叠加的各工况的总损伤再增加3～5倍进行合成PSD谱图的计算，文中就不一一列举说明了。

【1】Lalanne C.Mechanical Vibration & Shock:Volume V[M].Hermes Penton Ltd.London,2002.

【2】Miles J W.On Structural Fatigue Under Random Loading[J].Journal of the Aeronautical Sciences,Vol.1954,21 (11):753-762.

【3】Irvine T.An Introduction to the Shock Response Function[OL].www.vibrationdata.com,2002.

【4】Bendat J S.Probability Functions for Random Responses:Prediction of Peaks,Fatigue Damage and Catastrophic Failures[R].NASA report on contract NAS-5-4590,USA,1964.

【5】Lalanne C.Mechanical Vibration & Shock:Volume II[M].Hermes Penton Ltd.London,2002.

【6】严家武.徐东辉基于频域加速理论的SCR耐久性开发研究[J].重型汽车,2009(4):19-22.

【7】胡志强.随机振动试验应用技术[M].北京：中国计量出版社,2003.

【8】李晓峰.随机信号分析[M].4版.北京:电子工业出版社,2011.

【9】王春雨,李一兵,黄世霖.应用冲击响应谱分析汽车被动安全性试验中的冲击信号[J].汽车技术,1995(9):23-27.

【10】葛振华,施展.车辆振动测试系统研究[J].数据采集与处理,2008(B09):200-204.

【11】杨者青,金基铎,刘纪元.冲击响应谱(SRS)分析数字化方法探讨[J].沈阳航空工业学院学报,1997(2):1-8.

【12】沈文.关于冲击信号的数字处理方法研究[J].航空计测技术,1999(2):19-22.

ResearchonTestofCoolingModuleBasedonFrequencyAccelerationTheory

YU Xiaohui, HAN Wei, WEN Qiwei

(SAIC MOTOR Test Validation Department, Shanghai 201804,China)

How to convert the acceleration time-domain signal to shock response spectrum (SRS) and fatigue damage spectrum (FDS) were described as well as their application. Taking a vehicle cooling module as the research object, a new vibration rig test method was presented by which the acceleration time-domain signal of cooling module was converted to power spectrum density (PSD). On the premise of equivalent fatigue damage and fatigue mode, the equivalent correlation between the proving ground durability test and the rig durability test can be realized. Besides, the rig test time of cooling module is greatly shortened,so the problem of rig test validation can be solved.

Cooling module; Power spectrum density(PSD); Shock response spectrum(SRS); Fatigue damage spectrum(FDS); Extreme response spectrum(ERS)

2015-02-11

俞晓辉，男，工程硕士，工程师，研究方向为汽车试验。E-mail:273825908@qq.com。