基于时域损伤编辑技术的典型用户驾驶室道路模拟试验研究
李英昊
东风商用车技术中心
摘要：道路模拟试验可以通过采集的载荷谱复现试车场工况，但采集的用户载荷谱时间过长无法直接用于道路模拟试验，需要采用一种加速试验载荷谱编辑方法，在保留载荷谱损伤、频域特征及各通道相位关系的前提下，对用户载荷谱进行压缩，以满足道路模拟试验需要。本文以某车型驾驶室用户实测载荷谱为例，应用损伤编辑技术，对用户载荷谱进行了编辑，从损伤、幅值域和频率域对加速后载荷谱的有效性进行了验证。最后，应用该载荷谱进行了驾驶室耐久性台架试验，试验结果与市场反馈一致，验证了该套方法的有效性，并为解决市场问题提供了新的思路。
关键字：损伤编辑，道路模拟，典型用户，驾驶室
汽车的耐久性验证试验通常是在试车场进行，试车场的相关试验标准都已经通过用户关联等方法与用户工况进行了对应，基本可以复现90%以上用户的耐久性使用工况。但我国幅员辽阔，不同地区自然条件有较大差异，各地经济发展也不平衡，路面条件、交通状况和驾驶者的驾驶习惯也相去甚远，使得车辆载荷分布离散性非常大，因此即使通过了试车场的相关试验，个别地区市场上难免还是会出现一些耐久性问题，这种情况下采用道路模拟试验进行耐久性快速评价是首选的方法。
本文以某车型驾驶室为研究对象，对用户道路进行了载荷谱测量，通过时域损伤编辑技术对用户道路载荷谱进行了编辑，生成可以台架使用的载荷谱，然后在驾驶室道路模拟试验台上，重现了道路载荷，在试验室内进行了驾驶室耐久试验，复现并验证了该地区典型工况下驾驶室的耐久性能，为市场问题解决提供了依据。
一、用户使用工况分析
据市场反馈，某地区用户个别车辆出现驾驶室某些部位开裂，为此搜集了相关信息，通过调取车辆过往GPS数据对该用户使用工况进行了调查，该用户行驶路线主要为高原国道，有较多坑洼路段及沉降路段，用户车辆为危化品车，时效性要求较高，车速较快，根据经验该种路段在车速较快的情况下，车辆垂向载荷会急剧变大，驾驶室开裂应该与该地区路况和用户驾驶习惯相关。
二、用户数据采集
为了准确得到用户使用工况，需要测量用户车辆在实际道路中的相关信号。根据驾驶室道路模拟试验标准的数据采集要求，测量了用户车辆相关部位的加速度和位移，同时根据用户车辆驾驶室开裂情况及CAE仿真分析结果在驾驶室相应位置粘贴了应变片，测量这些位置的载荷谱，为了方便对路段及车速进行确认，增加了GPS信号测量。最终采集了用户往返一趟的载荷谱数据。
图1 部分应变测点
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图2 部分加速度测点
对采集的载荷谱数据进行进行时域，频域、统计域的检查，确认数据无异常后进行去温漂、去均值、去毛刺等信号预处理。
三、时域损伤编辑技术
用户道路载荷数据作为分析手段经常使用，但要在试验台上进行相应的试验非常困难，尤其是驾驶室，运动姿态复杂，通常是采用道路模拟试验的方法，但载荷谱数据有几十个小时，且不像试车场路面特征那么明显，无法采用常规方法进行时域编辑加速，需要采用新的方法。
时域损伤编辑技术，即删除信号中对损伤贡献不大的循环以缩短时间，且损伤等指标尽量与原始信号接近[1]，实际运用中，通常采用局部应变寿命法计算损伤。
3.1 局部应变寿命法
局部应变寿命法（E-N法）是目前汽车工业中最普遍的损伤计算方法，很多汽车部件设计成能够承受一定的塑性应变.，局部应变寿命法处理这些情况比完全忽略塑性变形的名义应力法（S-N法）更加合理，它能有效的计入缺口、焊缝以及应力集中等现象所产生的局部循环塑性变形效应，该效应即循环应力一应变曲线，用式（1）表达。E-N法表达为式（2），也叫曼森一科芬方程。Minner线性损伤累积法则如式（3）所示，基于此法则结合循环应力-应变曲线和材料E-N曲线即可计算承受随机载荷下的构件疲劳寿命[2]。
其中
图3 应变寿命曲线
3.2 疲劳损伤计算及编辑
本文中，编辑后的载荷谱要在驾驶室振动耐久试验台上进行道路模拟试验，编辑的原则应按照编辑前后损伤一致、损伤机理不变、编辑前后PSD一致、编辑后相位同步等原则对各通道信号同时编辑【3】。另外编辑后的信号还应满足迭代要求。
对载荷谱进行编辑，步骤如下:
（1）在实测载荷谱中选取关注的应变信号通道进行E-N法计算损伤，可以是单个或多个通道，参考迭代频率选取合适长度的时间段窗口，将应变时域信号划分为若干等时间长度的时间段，计算得到疲劳损伤时域分布图，如图4所示，值得注意的是计算损伤时需参考CAE计算结果将实测应变信号放大，避免编辑掉实际产生损伤的信号；
图4 疲劳损伤时域分布图
（2）根据疲劳损伤时域分布,按照保留多通道90%以上损伤的目标识别出原始载荷谱各通道无损伤或损伤很小的载荷历程并进行标记；
图5 损伤识别
（3）删除包含加速度、位移、应变等多有通道中标记的无损伤或损伤可忽略不计的时域信号，并将剩余的载荷历程连接，形成加速后的载荷谱，如图 6 所示，可以看到大的应变及加速度都得到了保留。
图6 损伤编辑前后应变和加速度时域信号
一段信号段删除后,可能在新的连接处有一个突然的信号跳跃,根据经验这可能会在迭代时产生不符合实际的大的台架驱动信号，导致迭代发散，为了避免这一情况，连接处需要插入一个连接信号，通常采用半正弦信号，载荷谱编辑有时候是一个反复的过程，在迭代发散时还需要改进编辑方式重新编辑。
3.3损伤编辑前后数据分析
损伤编辑后的数据需要满足同编辑前数据损伤及频域的一致，对编辑前后的数据进行对比。
（1）雨流循环对比
分析并对比编辑前后数据的雨流统计值，以应变值最大的应变测点S7为输入信号，编辑前后雨流统计如图7所示，由图可以直观看出，大的幅值基本都得到了保留，删除了大量低幅值载荷循环。
图7 编辑前后雨流计数对比
（2）损伤对比
对编辑前后的应变测点损伤进行对比，如表1所示.可以看到，各测点损伤基本都得到了保留，整体上都如编辑所要求的90%以上。
表1 损伤编辑前后应变测点损伤对比
|
应变测点 |
编辑前总损伤 |
压编辑后总损伤 |
编辑后损伤保留 |
|
S1 |
7.93E-06 |
7.77E-06 |
98% |
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S5 |
0.00019 |
0.000187 |
99% |
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S7 |
0.001086 |
0.000975 |
90% |
|
S9 |
2.39E-08 |
2.39E-08 |
100% |
|
S10 |
3.22E-08 |
3.22E-08 |
100% |
（3）频域对比
以车架左前垂向加速度信号作为输入信号，分析对比编辑前后的PSD，进而评价两种载荷谱的频域特征是否一致。图8为编辑前后加速度信号的PSD，可以看出两者分布趋势一致，具有相同的分布特征，编辑后的信号PSD分布曲线整体上移，显示较编辑前各频率平均能量更高。
图8 编辑前后加速度PSD信号对比
综上，时域损伤编辑法对采集的载荷谱进行编辑后，编辑后的数据不仅保留了原始载荷谱中的大部分雨流循环和损伤，同时还保证了加速谱与原始谱具有相同的加载频率，能准确体现原始载荷谱的损伤和频率特性。
四、驾驶室道路模拟试验
以编辑后的载荷谱为目标谱进行驾驶室道路模拟试验，本文采集的用户载荷谱包含了较多不产生损伤良好路面，各路段损伤编辑后的载荷谱总体长度只有原始载荷谱的1%左右，这就使得在试验室快速复现该用户的使用工况成为可能。
道路模拟试验是一种比较成熟的试验方法，本文不做详细介绍。
4.1 驾驶室道路模拟试验台
道路模拟试验台由液压系统、计算机控制系统和机械系统所组成，使用远程控制软件 RPC 来实现道路模拟试验系统的试验控制。道路模拟试验台通过控制器与 RPC软件相结合控制7个液压作动器的动作来实现驾驶室垂向、侧向、纵向、前后俯仰、左右摆动、侧向摆动、扭转共7个自由度的运动，进行室内道路模拟试验[4]。
图9 驾驶室道路模拟试验台
4.2驾驶室道路模拟
按照驾驶室道路模拟试验的相关标准规范，在试验室台架安装与整车测试相同位置的传感器，进行驾驶室道路模拟试验迭代，迭代至要求的精度，并对驾驶室悬上监测信号进行对比，部分悬上三向加速度信号对比如下图。
图10 左前悬上x向加速度对比
图11 左前悬上y向加速度
图12 左前悬上z向加速度
综上，编辑后的载荷谱可以进行迭代，且完成迭代后的台架上的驾驶室悬上加速度与整车实测数据时域上基本一致，时域损伤编辑技术可以用于道路模拟试验。
4.3 耐久试验
按照载荷谱采集的顺序组合各路段驱动信号，根据耐久目标设定循环次数，进行耐久试验。60万km耐久试验后，点检发现了相同故障，设计部门对此进行了改善，改善后的驾驶室60万km耐久试验后未出现相同故障。
五、结语
应用时域损伤编辑技术，基于特殊用户实测载荷谱，本文编制了驾驶室路模拟试验载荷谱，以该加速谱为目标谱进行了驾驶室台架耐久性试验，试验结果与用户使用一致，验证了该套载荷谱编制方法的有效性，并为解决特殊市场问题提供了新的思路。该套方法也可为其它车型的室内道路模拟试验提供参考。
参考文献
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Halfpenny A．Method for accelerating dynamic durability tests［C］. Proceeding of the 9th International Conference on Recent Advancesin Structural Dynamics，Southampton，UK，2006:18-36．
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Lee Y L，Pan J，Hathaway RB，etal． Fatigue testing and analysis( Theory and Practice) ［M］．Burlington: Elsevier Butterworth-Heinemann，2005: 130-138．
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钱立军，吴道俊，杨年炯，等. 基于室内道路模拟技术的整车加速谱耐久性试验的研究［J］。汽车工程，2011，33(2) : 91-96。
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李英昊，廖财楚，谢万春，驾驶室道路模拟试验在驾驶室开发中的应用［J］。汽车科技，2012:37-39。
