基于相对疲劳损伤谱的整车疲劳耐久试验加速方法研究

李　伟，端木琼，赵成刚

（中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津　300300）



基于相对疲劳损伤谱的整车疲劳耐久试验加速方法研究

李伟，端木琼，赵成刚

（中国汽车技术研究中心汽车工程研究院，天津300300）

摘要：提出一种基于相对疲劳损伤谱的疲劳耐久试验加速方法。以某轿车为研究对象，在试验场采集轴头加速度信号和减振器位移信号，以结构耐久性试验程序的相对疲劳损伤谱为目标，通过优化算法对试验程序进行优化，在保证相对疲劳损伤谱一致前提下，最大限度地缩短试验周期。

关键词：整车疲劳；耐久试验；相对疲劳损伤谱；加速方法

1　概　述

在整车开发流程中，车辆的疲劳耐久性是厂商重点关注的性能指标，直接影响到客户的满意度和车辆的三包成本。目前，对整车疲劳耐久性的考核方法有多种，主要分为实车路试和试验室道路模拟试验[1]。

试验场工况是评估车辆疲劳耐久性能的重要依据，它集成了对整车造成较大疲劳损伤的各种极端工况。典型的试验场工况主要有：铁轨交叉、搓板路、砂石路、比利时路、坑洞路、越野路、乡村公路等。每一种工况都是车辆真实使用情况的浓缩，通过加大路面强度实现疲劳损伤的累计。

试验室台架试验是通过对试验场各种工况的载荷谱采集，将车辆的受力情况从试验场转移到试验室内，用液压伺服系统模拟并执行耐久性评估测试，使台架模拟试验与试验场工况评估具有相同的疲劳损伤[2]。相对于实车路试，其主要优势如下：

1）测试条件一致，试验结果客观，避免人员操作习惯造成结果差异。

2）不受天气影响，可以进行全天候24 h试验，同时试验室具有相对较高的保密等级。

3）待多数缺陷已经发现并改进后，再进行路试，保证测试人员的安全。

4）最为重要的一点是，能够在保证相对疲劳损伤一致的前提下，通过对试验场工况的优化组合缩短疲劳耐久验证周期。

2　试验加速方法的理论基础

2.1振动激励的来源

试验车在进行疲劳耐久性考核过程中，造成损伤的激励源主要来自路面激励和自身动力总成的激励。路面激励主要是32 Hz以下的低频成分，它主要受路面状态、轮胎状态、车轮的动平衡和悬架系统的动态特性决定；动力总成的激励主要是分布在10 Hz～500 Hz范围内的中高频成分，主要由发动机的高速转动产生。路面激励是重点关注的对象[3]。

2.2试验加速方法分析

试验加速主要目的是用较短的时间验证产品在正常使用状态下的寿命。因此，试验样件的失效模式必须相同，所执行的试验加速方法才具有意义。通常加速耐久试验的方法有三种：频域加速、应力加速和信号压缩。这些方法都能有效缩短测试时间并降低成本，但每种方法都有其缺点。

1）频域信号加速以频率为参考量，对信号进行编辑。在疲劳耐久试验中，共振频率范围往往对样件的疲劳损伤贡献最大，所以在频域加速过程中保留共振频率十分重要。删除低损伤频域段，能有效缩短验证时间。但增加试验频率，往往造成样件中橡胶件的提前破坏。

2）应力加速通常增加试验载荷的振幅，提高加载的疲劳损伤等级，以缩短试验时间。但这种方式可能导致失效方式的改变，如使高周疲劳变为低周疲劳[4]。

3）信号压缩方法去除路谱信号中的连接路面，或以某损伤值为阀值，去除对损伤贡献较小的小振幅数据以缩短试验验证时间。这种方法对坑洼路、铁轨交叉路等瞬时高损伤工况比较有效，但对于卵石路、比利时路等接近于白噪声的信号往往会删除一些有效数据。

因此，在总结以上试验加速方法的基础上，本文以相对损伤谱（RDS）为研究目标，提出一种综合的试验加速方法。

2.3RDS和FDS方法

相对疲劳损伤谱（RDS）和疲劳损伤谱（FDS）都是讨论疲劳损伤与频率的关系，输入信号可以是加速度，也可以是位移。当使用加速度信号作为输入时，需要对加速度时域信号进行2次积分，推导出对应的位移值，这个位移值是与加载载荷和疲劳损伤相关的[5]。

对整车的疲劳耐久试验，损伤和频率都是重点关注内容，因为车辆中不同样件的敏感激励频率不同，这是由车辆动力学和样件的固有频率决定的；激励路谱的频率范围是由路面状态和测试车速共同决定的。

RDS之所以叫相对疲劳损伤谱是因为整车由不同的材料组成。不同材料SN曲线统计时材料特性不同，本算法计算疲劳损伤时取相对平均结果，统计的是特定工况路谱对样件的平均疲劳损伤效果。RDS为低频振动提供了一个有效的方法，它能够把一种路面的损伤状态划分为5～6个小的频域范围，它的计算流程如图1所示。图1中，将0～32 Hz划分为5个频带，分别进行雨流统计绘制出疲劳损伤关于频率的直方图。截止频率之所以定为32 Hz是由路面激励低频特性决定的[6]。

在同样频率范围内，FDS需要划分更多的频率计算点，以达到相同的精确程度。在处理高频信号时，FDS比RDS更具有优势，因为RDS受限于过低的频谱分辨率，这样的特性决定了RDS适用于路谱激励的疲劳损伤计算，而FDS则更适用于动力总成激励造成的疲劳损伤。本文采用RDS疲劳损伤谱的方法。

3　基于RDS的试验加速方法的实现

疲劳耐久试验加速方法的实现是基于损伤线性累计原理，试验场路谱矩阵[PG]以直方图的形式反映试验场各种路况的损伤特性，如图2所示。每一列代表固定配重和固定车速状态下采集的一种路况的疲劳损伤。每一列代表数据处理频带的划分。目标矢量[Target]代表整车耐久需要考核的目标损伤量[7]；系数[Repeats]代表[PG]需要多少次循环能够实现目标损伤，如公式（1）所示。

使用最小二乘法使相对疲劳损伤计算值与目标值尽可能趋近，如公式（2）所示。

每种路况Repeats的值大于等于零。

3.1路谱数据采集

因为使用轮胎耦合四通道道路模拟试验台验证整车的疲劳耐久性能，因此需要采集车辆轴头Z向加速度和轴头到车身的相对位移量。因为加速度传感器具有比较差的低频响应，如果对频率处理不当，在采集信号中引入错误信息，会对采集车速和路面情况造成干扰。因此，在大多数情况下，对加速度进行二重积分计算出位移，是一个更好的办法，因为它是与载荷成正比，能够为RDS计算提供一个有效的输入[8]。

轴头加速度信号用于疲劳损伤计算，位移信号用于数据关联。在北京通县试验场采集各种耐久路况加速度信号作为数据源。

3.2加速度数据的分析和计算

对轴头加速度信号进行RSD相对疲劳损伤统计，与目标谱进行对比优化计算，缩短试验验证周期。试验过程加速应遵循以下原则：加速后的试验失效模式应与目标路谱组合的失效模式一致；加速后的试验谱不应出现不切实际异常高的载荷；在合理的加速前提下，尽可能缩短试验时间。

加速度数据处理过程如下：

1）将试验场采集的加速度信号进行预处理，去除尖峰、毛刺、零点漂移和其它异常信号，同时去除连接路面等低损伤数据。

2）利用nCode数据处理软件，进行各种路况在试验配重和车速状态下的RDS相对疲劳损伤进行雨流统计。本论文中以钢筋路、鹅卵石路、砂石路和轻比利时路为例进行计算[9]。计算流程如图3所示。

3）依照试验场规范，将钢筋路、鹅卵石路、砂石路和轻比利时路各跑50个循环，试验时间为9.63 h，计算4种路况各50个循环产生的RDS疲劳损伤谱[10]，结果如图4所示。

4）如上所述，应用公式（1），计算优化后保证RDS损伤效果一致的前提下4种工况的循环次数，计算过程如图5所示，加速优化前/后结果如表1所示。

表1　加速前/后目标路谱循环次数

如上表所示，加速优化后的目标循环数由200次变为130次，不再需要钢筋路和鹅卵石路；目标时间由9.63 h变为6.41 h。在保证损伤等效的基础上，大大地缩短了试验验证时间，节约了成本。

5）加速前后相对损伤值的对比如图6所示。两条线段分别代表目标谱在每个频域范围内RDS相对损伤谱和试验加速后新的循环组合在每个频域范围内RDS

相对损伤谱，对比后一致性较好。图中三角符号代表砂石路在相应频段内损伤贡献量；圆形符号代表比利时路在相应频段内损伤贡献量。因此，得出结论：钢筋路和鹅卵石路对RDS相对损伤量贡献较小。

4　结论

采用RDS加速试验的方法相比于传统的切除低损伤数据等加速方法是一种更加全局系统化的方法。本文通过四立柱疲劳耐久试验台进行验证，在保证损伤考核一致的前提下，试验时间缩短约32%，缩短了研发验证周期。同时，结合试验室特点，本方法经过实际验证是一种高效可靠的试验方法，可以将其进行完善后推广应用到整车27通道轴耦合疲劳耐久试验台和MASTTABLE多自由度零部件疲劳耐久试验台，为提升试验效率，节约试验成本做出相应的贡献。

参考文献：

[1]林根源.应用路况模拟技术进行车辆耐久性验证与舒适性评估研究[D].台北：国立中央大学.1999.

[2]郦明，郭鲁比希奇V，费雪皑G，等.汽车抗疲劳设计[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1995：82-91.

[3]李纪雄，罗朝辉.基于等效试车原理的汽车可靠性试验规范的开发[J].汽车工程，2011，33（11）：16-19.

[4]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．

[5]李玉龙，彭剑，李新田.整车道路耐久试验的研究[J].机械，2013，40（3）：15-27.

[6]卢来洁，马爱军，冯雪梅.冲击响应谱试验规范述评[J].振动与冲击，2002，21（2）：18-20.

[7]俞晓辉，韩伟，温奇伟.基于频域加速的冷却模块振动试验研究[J].汽车零部件.2015，4（4）：33-36.

[8]方红燕.汽车可靠性耐久试验道路研究[J].汽车与配件，2008 （44）：36-39.

[9] nCode International Ltd.The nCode Book of Fatigue Theory[G]. 1998．

[10] Accelerated Testing Theory and User Manual. HBM-nCode GlyphWorks Product Documentation[K].2008.

修改稿日期：2015-08-24

Study on Acceleration Method for Vehicle Durability Test Based on Relative Fatigue Damage Spectrum

Li Wei, Duan Muqiong, Zhao Chenggang
(Automobile Engineering Research Institute, China Automotive Technology&Research Center, Tianjin 300300, China)

Abstract：The authors propose a durability test acceleration method based on relative fatigue damage spectrum （RDS）. Taking a vehicle as the research object, they acquire the spindle acceleration signal and shock-absorber displacement signal. Theytake the RDSofstructural durabilitytest procedures as a target tooptimize the test procedure through optimizingalgorithm. And under the premise ofguaranteeingthe RDSconsistent, theytrytoshorten the test cycle as possible.

Key words:vehicle fatigue; durabilitytest; relative fatigue damage spectrum（RDS）; acceleration method

中图分类号：U467.4+97

文献标志码：A

文章编号：1006-3331（2016）02-0046-03

作者简介：李伟（1977-），男，工程师；发展部副主任；主要从事汽车耐久性能开发工作。