汽车试验场载荷谱等效分析技术

荣 兵，肖 攀

（中国汽车工程研究院，重庆 401122）

整车耐久性能试验场规范，用于模拟用户实际路面驾驶工况，在整车开发过程中验证整车耐久性能。随着整车三包政策的日益严格和市场竞争的加剧，各大整车厂逐步意识到耐久性能开发的重要性，而试验规范的准确与否，直接关系到耐久性能开发的质量、成本与周期，因此试验规范的有效性分析研究也越来越被重视。王万英等[1]以伪损伤为基础进行试验场道路与用户道路的当量分析，陈孟春等[2]则对定远试验场和襄阳试验场的部分道路进行了当量分析。

通常试验规范的制订和优化要经历4个阶段：（1）参照国外试验场规范是国内整车企业初期采用的方式，但其与国内实际道路及用户工况的等效性上仍有一定差异。（2）随着国内整车试验场数量的增多，部分企业提出从试验场A向试验场B迁移的需求，为保证A试验场规范和B试验场规范的一致性，开展了试验场关联工作。（3）由于原试验场规范通常是参照国外或国内其它试验场规范制订的，与国内道路情况及用户的习惯和分布并无关联，目前部分企业已开始开展用户关联工作。（4）为提升市场竞争力，部分整车企业提出延长整车质保里程，如从3年10万km延长至3年15万km，规范外推工作必不可少。以上工作随着载荷谱采集技术和CAE仿真技术的日益成熟而变得可行。

本文以某sUV车型在国内某目标试验场（A试验场）的已知路试规范为基础，制定新试验（B试验场）下的等效路试规范，研究内容包括以下几个方面：（1）制定两个试验场的载荷谱采集方案，并进行载荷谱采集和分析处理。（2）等效通道的选择，以及伪损伤等效理论下的S-N曲线定义。（3）将试验场路试规范进行分类，在A、B试验场的相同类别间进行伪损伤等效分析，并制定等效的B试验场路试规范。（4）最终将各等效通道的雨流统计频次曲线与穿级计数曲线进行对比分析，验证了B试验场路试规范的等效程度。

1 载荷谱采集及处理

1.1 载荷谱采集

载荷谱采集车型为某sUV，该车型前悬架为麦弗逊结构形式，后悬架为多连杆结构形式。同时，为满足所采集的载荷谱数据能有效地支持后续的整车耐久性能仿真分析、台架试验和试验场等效分析工作，采集通道共设95个，主要包括以下信号类别：（1）外部激励载荷-轮心六分力载荷。（2）悬架位移行程信号。（3）二力杆部件的拉压力信号。（4）加速度信号。（5）应变信号。（6）GPs及路面分割逻辑信号等。其中，二力杆件信号需要通过相应的标定，获得标定系数，从而将应变信号转化为力信号，后悬前束调节杆标定如图1所示，其余杆件标定类似，二力杆件测试通道及相应的标定系数详见表1。

图1 后悬前束调节杆标定

表1 采集二力杆信号列表

A试验场的路试规范按区域划分为三类：强化坏路、模拟山路和高环。其中，A试验场的载荷谱采集方案完全根据已知的路试规范制定，由于B试验场路试规范未知，在制定载荷谱采集方案时，需要综合考虑A试验场中所包含的路面工况、操作规范（制动、加速等），同时还要结合B试验场的布局及行驶规范，最终应完成对B试验场各路面工况尽可能全面的载荷谱采集工作。考虑到路面偶然因素和驾驶习惯的影响[3]，载荷谱采集数据样本具备9次正确的数据，分别为3个驾驶员，各采集3次。A、B试验场采集区域如图2和图3所示，主要包括强化坏路区域、制动区域、坡道区域和高环区域。

图2 A试验场采集区域

图3 B试验场采集区域

1.2 载荷谱处理

由于试验场中涉及到大量的过渡路段，其对疲劳损伤影响很小，所以通过对不同路面进行分割用于去除过渡路段，同时也对不同路面的载荷谱数据进行标识。此外，信号还需进行必要的滤波、去毛刺漂移等常规处理。处理后的A试验场载荷谱数据统计如下：（1）强化坏路区域中包括8个工况。（2）模拟山路区域包括4个制动工况和4个坡道工况。（3）高环工况。B试验场载荷数据统计如下：（1）强化坏路区域中包括27个工况。（2）模拟山路中包括4个制动工况和8个坡道工况。（3）高环工况。由于两个试验场的制动区域、坡道区域和高环区域的布局和路面几何特征基本一致，且以上3种工况对车辆结构的损伤主要来源于驾驶员的操作方法，而不取决于路面几何特征，所以本文中不对其进行等效分析。

对分割处理后的各工况数据的有效样本进行统计，大部分工况的有效样本量为9个。由于车辆结构部件的疲劳损伤来源于外部激励载荷，所以计算各样本六分力信号的伪损伤，结合参考文献[3] 和文献[4]中的方法计算伪损伤向量，并用于后期的样本筛选。样本筛选的目的是使后期分析的样本更具有代表性，文中样本筛选原则如下：（1）仅有一次有效样本的工况，即选用该唯一样本。（2）存在两次有效样本的工况，选取伪损伤向量较大者。（3）存在3个及以上有效样本的工况，采用Rossow抽样原则（50%存活率）选取伪损伤向量居中者。

2 试验场载荷谱等效分析原则

2.1 等效通道的确定

试验场载荷谱的等效分析，主要依据载荷谱中各通道的伪损伤对比评估其等效的程度，按理选择的等效通道越多，最终所能达到的等效程度越高，但也应该分清各通道信号对结构损伤的主次关系，例如：外部激励通道信号重要程度大于车辆内部通道信号；力通道信号重要程度大于加速度通道信号；全局通道信号（悬架行程信号决定了相应的车身姿态）重要程度大于局部通道信号（局部应变信号）。根据以上原则，为满足对车辆结构部件耐久性能的全面考察，本研究所选择的等效通道为55个，详细通道说明如下：（1）24个外部激励载荷-轮心六分力载荷。（2）4个悬架位移行程信号。（3）8个悬架系统二力杆部件的拉压力信号。（4）2个稳定杆转矩信号。（5）12个轮心加速度信号（x、y、z三个方向加速度）。（6）4个车身塔顶加速度信号（z向加速度）。（7）1个车身上应变信号。

基于疲劳累积损伤理论，不管是力、力矩还是应变都被认为是传感器所在点的广义应力，通过S-N曲线，即可求得广义损伤或称伪损伤。试验场等效的前提是伪损伤等效，然而伪损伤等效后，结构部件的真实损伤是否也等效，其影响参数主要取决于用于计算伪损伤的S-N曲线是否选择正确。因此，为保证在各通道伪损伤一致的情况下，对车辆结构所造成的真实损伤也一致，计算伪损伤的S-N斜率需满足以下规律[5]。

将两个试验场的所有采集工况进行单次组合，然后对等效的55个通道的随机谱进行雨流计数，确定在双对数坐标系下幅值与频次的关系曲线。依据S-N曲线的定义，可将该曲线定义为求解伪损伤的S-N曲线，但由于在双对数坐标系下幅值与频次的关系并非是一条直线，则需要对数据进行直线拟合。考虑到高幅值对疲劳损伤贡献量较大的因素，拟合直线的数据仅包括高幅值区域内接近于直线段的数据，从而以该拟合直线的斜率做为计算伪损伤的S-N曲线斜率，确保了伪损伤比与真实损伤比的一致性，如图4所示，拟合直线的斜率即为S-N曲线斜率。同时，S-N曲线的截距S0需大于等于雨流计数中的最大幅值，该项目中截距S0统一选取为雨流统计中最大幅值的10倍，按以上规律确定的55个通道所对应的S-N曲线参数见表2。

图4 S-N曲线斜率的确立

表2 各等效通道S-N曲线参数

2.2 载荷谱等效分析的评价指标

对等效分析的评价主要依靠所选等效通道间的伪损伤比值来进行，评价指标越接近1，等效程度越高；还可用等效通道的雨流统计频次曲线、穿级计数曲线的对比间接地体现等效分析的可靠性，但并没有具体的量化性指标进行考核，当然是曲线越接近越好。值得注意的是，在进行公共路面与试验场等效分析时，由于公路路面的载荷谱幅值完全不可能达到试验场载荷谱的幅值范围，所以等效通道间的雨流曲线、穿级计数曲线对比会存在较大的差异，也没有更大的参考价值。

对于等效通道的伪损伤比，虽然是一个量化的参数，但由于在等效分析中需要考核的通道较多，且在组合试验场规范时，要考虑试验场各路面的具体布局、试验场行驶要求、路试规范总里程等众多因素，所以在工程应用中，伪损伤比的评价指标并没有一个明确的范围，原则上通道越多、越接近1越好，当然也要区分主要载荷通道（外部激励通道或主要变化通道）、次要载荷通道（内部加速度等）。为了保证新规范能对旧规范进行全面体现，在满足所有通道接近1的条件下，个别通道的伪损伤比值会较大。

3 两试验场载荷谱等效分析

根据前文对载荷谱的分析，将其分为三大类：模拟山路工况、高环工况和强化坏路工况。针对模拟山路和高环工况，由于两个试验场的路面构造一致，所以在B试验场中直接沿用A试验场规范，不再做相应的等效分析。针对强化坏路工况的等效分析详见下文。

基于A试验场强化坏路规范，利用上文所确定的S-N曲线，计算出55个等效通道的伪损伤目标值，可记为目标矩阵T，其中可知T为55×1的矩阵，详见式（1）。计算出B试验场中27个强化坏路工况在单次循环下的55个等效通道伪损伤，可形成一个55×27的单次循环伪损伤矩阵D，详见式（2）。则两个试验场强化环路上的等效工作，即是对B试验场中27个强化环路工况的循环次数进行最优求解，设其对应的解为一个27×1的矩阵O，详见式（3），最终形成的矩阵方程详见式（4）。

结合B试验场强化坏路区域中27个工况的布局和单次循环里程，将B试验场强化坏路里程介于5 000 ～7 000 km作为求解式（4）的约束条件，利用Matlab编程对矩阵方程进行优化求解[6]，其优化目标以及在工程应用中需要考虑的因素在前文2.2节已进行了详细阐述，该目标也是载荷谱等效分析的评价指标。将优化结果与实际工程应用中需要考虑的因素相结合，最终各等效通道的伪损伤比值见表3，将表中各等效通道进行分类对比分析如下：（1）1～12通道为外界对车辆的主要力载荷，也是对车辆部件造成疲劳损伤的主要来源，其伪损伤比值范围为0.644～1.716，等效程度较高。（2）13～24通道为外界对车辆的主要力矩载荷，虽然耐久强化路工况均为匀速工况，但由于驾驶员在各次载荷谱采集中收放油门踏板操作的差异（载荷谱采集车辆为前轮驱动），从而导致了前轮驱动力矩（通道17和18）的伪损伤值对比差距较大。此外，其余通道的伪损伤比值范围为0.595～1.999，等效程度较高，通常在驱动工况下传动部件与转向节之间存在旋转自由度，驱动力矩不会对底盘部件造成相应的疲劳损伤，所以不考虑在此情况下的前轮驱动力矩。在制动工况下，x向轮心力与y向轮心力矩存在一定的比例关系（My为Fx与轮胎滚动半径之积），但前轮x向轮心力（通道1和2）的高等效程度也从侧面说明在驱动工况下造成的前轮y向力矩的差异不会影响前轮x向力的差异。（3）25～28通道为悬架弹簧位移行程信号，它是反映车身运动姿态的全局信号通道，伪损伤比值范围为0.684～0.868，等效程度较高。（4）列表中省略通道的伪损伤比值范围为0.573～1.786。（5）55通道为车身应变通道，其伪损伤比值为1.088，从车身实际受力角度出发，验证了两个试验场的等效性。

表3 优化后等效通道伪损伤比

优化后的B试验场强化路面工况所对应的循环次数见表4，表中所有工况循环次数都为430次的倍数，所以将430次做为B试验场强化区域路试规范的大循环次数，每个小循环里再按各工况对应次数（优化循环次数除以430次）进行串联，从而制定了B试验场强化区域的可行性路试规范。结合B试验场强化区域的连接路面里程，推算出等效的强化路试规范总里程约5 300 km。

表4 B试验场强化区域等效优化循环次数

由于篇幅限制，本研究仅对等效后的左前轮轮心力通道载荷谱进行雨流统计频次曲线和穿级计数曲线的对比分析，如图5～10所示。由图可知：（1）在雨流统计频次曲线对比中，各通道载荷幅值范围基本一致，且各幅值范围对应的频次也基本一致。（2）在穿级计数曲线对比中，各通道平衡点附近的穿级次数，B试验场明显高于A试验场，这主要是由B试验场中加入的小载荷路面引起（如浅滩、长波、碎石、砂石等路面）的，但各通道在平衡点以外，大幅值穿级区域穿级次数都基本一致。

图5 左前轮心x向力雨流统计频次曲线对比

图6 左前轮心x向力穿级计数曲线对比

图7 左前轮心y向力雨流统计频次曲线对比

图8 左前轮心y向力穿级计数曲线对比

图9 左前轮心z向力雨流统计频次曲线对比

图10 左前轮心z向力穿级计数曲线对比

4 结论

随着汽车工业的发展，国内汽车试验场也不断增加，虽然各试验场对车辆性能的考察目的都基本一致，但相互之间也存在一定的差异，当试验场路试规范从一个试验场转移到另一个试验场时，就有必要对试验场之间进行相应的等效分析。

本研究以A试验场已知路试规范为基础，利用某sUV车型进行A、B试验场的载荷谱采集，同时对载荷谱进行分析和分类。针对模拟山路和高环工况，由于两试验场路面构造一致，所以在B试验场中直接沿用A试验场规范，不再做相应的等效分析。针对强化坏路工况，依据等效通道伪损伤一致的原则，进行A、B试验场的等效优化，并制定B试验场路试规范，最终通过对等效通道的伪损伤对比，以及雨流统计频次曲线和穿级计数曲线的对比，验证了等效分析的有效性。