试验场路谱等效分析

李建澎

（中国第一汽车股份有限公司天津技术开发分公司）

随着汽车工业的高速发展，我国自主品牌汽车制造商面临着激烈的竞争，一方面对产品疲劳耐久性能的要求逐步提高，另一方面对产品轻量化以节省成本、提高竞争力的要求日益迫切。因此，对整车在国内试车场的强化耐久性能试验也有了更高的要求。之前，某国产汽车制造商一直在北京通县试验场进行可靠性试验，现需要试验车同时满足吉林农安试验场可靠性试验规范的要求。考虑到地域限制，为了节约时间及成本，计划通过某车型以2个试验场的路谱采集为基础，通过当量计算，获得等效结果。

1 等效原理

在计算零件的损伤时，通常通过应力信号根据零件的S-N曲线运用相应的方法进行计算，得出相应的损伤值。在实际工程实践中，从能量分析的角度出发，各种信号（包括力、力矩、位移、加速度及应变）都可认为是“广义应力”。将“广义应力”信号用雨流计数法统计载荷循环数后，按照预先给定的标准S-N曲线，不考虑均值的影响，根据Miner法则进行计算得出的损伤称之为名义损伤或伪损伤[1]。

计算损伤可采用LMS TecWare软件，其使用的标准S-N曲线为工程界所广泛采用。需要指出的是，采用这种方法得到的绝对数值并无实际意义，只能在同种信号间进行相互比较，是一种基于能量的比较方法。

本次作为整车的目标等效，以六分力的等效作为主要衡量标准，其余的加速度、应变及位移信号作为参考。

2 道路载荷谱采集

道路载荷谱采集工作包括测试通道规划、测点准备、应变片粘贴和传感器布置、数据采集器连接及测试信息设置等。根据后续关联计算工作的需要和现有的测试传感器个数以及数据采集设备通道等因素，综合确定了模拟信号测量22个测点共65个通道，其中包括加速度信号8个测点共24个通道（8个三向测点）、位移信号4个测点共4个通道、应变信号5个测点共5个通道（5个三向测点）。测试还包括了若干数字信号通道，如 GPS信号（经/纬度、车速）[2]。

3 等效方法

3.1 确定目标损伤值

根据《农安汽车试验场A级乘用车承载系可靠性试验规范》，路试包括4个试验工况，通过TecWare软件计算整个耐久程序的总损伤，如图1所示。

图1 确定目标损伤步骤

3.2 计算通县试验场各工况单圈伪损伤

通县试验场3万km耐久试验规范共包括9种路况，为了使等效规范尽可能地接近目标损伤值，在采集路谱时各个路况增加了一些速度值，便于随后制定规范时筛选，如表1所示。

表1 通县试验场各路况车速选择 km/h

通过TecWare软件分别计算试验车在各个路面不同车速下的伪损伤。然后可以获得通县试验场总的伪损伤值。通过调整各个工况的圈数，不断地逼近农安试验场总的伪损伤值，如图2所示。

图2 试验场损伤等效计算步骤

4 操作步骤

4.1 农安试验场总损伤计算

打开TecWare软件，载入农安试验场相关数据。每种工况从6组数据中选出5组一致性较好的数据分别计算损伤，然后求出5组损伤值的平均值作为每种工况的单圈损伤。按照试验场损伤等效计算步骤，每种工况的损伤值再分别乘以试验场规范规定圈数并求和，得出目标总损伤。软件操作步骤为：

1）点击Insert files载入要处理的数据，选择六分力通道的各轮受力（F）和扭矩（M），点击Time Edit图标进入时域数据编辑界面；

2）选择全部通道后，点击 Count statistical values，可得到最大值、最小值、总时长及损伤值等统计数值；

3）点击Export将统计数据进行保存，点开保存文件即可看到各通道损伤统计值damage；

4）各路况损伤以Excel格式进行保存，用于农安试验场总损伤的计算。

4.2 通县试验场损伤计算

打开TecWare软件载入通县试验场相应数据，每种路况下选取5组一致性较好的数据，先对每组数据进行剪切，得到9种不同路面独立的时域数据。然后同样计算各个路面的损伤并求其平均值。最终得出9种路面在所有工况下的损伤。此外，选取其中一种路况算出总损伤，再算出剪切后的9种路面的损伤和，用总损伤减去9种路面损伤和，就得到在过渡路面行驶一圈的损伤值。软件操作步骤为：1）与之前操作相同，点击Insert files载入要处理的数据，选择六分力通道的各轮受力（F）和扭矩（M），点击Time Edit图标进入时域数据编辑界面；2）分别选取不同路面的时域数据，点击Save Signals as分别保存；3）路面剪切完毕，各种工况的损伤计算方法和上述方法相同，整理计算结果用于等效使用。

4.3 Excel等效计算

利用Excel的计算功能，将横轴与纵轴分别设为各坏路路面与各通道。通过不断地预设数值，逐渐逼近目标值。

4.4 等效原则

根据等效原理图，通过Excel或其他软件进行相应的调整计算，调整各路况圈数尽量和实际情况相符，尽量遵循以下调整原则。

1）扭曲路、砂石路及石块路乙3种路况由于不影响整体坏路行驶，可优先考虑调整圈数。其他路况尽量保证圈数一致，便于坏路驾驶的安全流畅。

2）由于Fx和My为加减速情况车轮受力和力矩，坏路对其影响较小，所以等效时可优先考虑Fz和Fy2个方向损伤，尽量保证这2个方向损伤值和目标值相等。

3）原则上每种路面速度的选取尽量小于等于2种，避免方案过于复杂。

4）为节约试验成本，尽量使得路试时每个循环9种路面都能包含在内，优先调整各路况不同速度来改变损伤总和，然后再考虑调整各路况圈数。

5 结论

本研究基于等损伤的原理，通过对不同试验场的道路载荷谱采集，并计算比较伪损伤值实现了不同试验场之间的路面关联，对道路试验的便捷性和节约成本等方面具有重要意义。在研究过程中，路谱采集和Excel等效计算是关键点。路谱采集的准确性及采集点布置的合理性会直接关系到等效的准确度。在等效计算中，路面和车速选择的合理性，也会制约等效的结果。为了使等效结果更加合理趋于完善，路谱采集的准确性、采集点布置的合理性以及在等效计算中路面和车速选择的合理性是以后的重点研究内容。