基于实测路谱的路谱重构技术研究

黄亮，杨智

（威马汽车科技集团有限公司成都研究院，四川 成都 610110）

引言

随着汽车行业的不断发展，汽车结构疲劳问题越来越受到各汽车车企的关注，同时，对产品疲劳耐久性能要求也逐步提高。在要求准确评估整车耐久性能的同时，希望性能分析和验证时间尽量缩短。通过路谱重构技术，将试验数据缩减为可替代整体试验数据的某几种特殊路面数据，利用重构后的数据进行后续分析或验证，能够大幅缩短开发周期，提升优化迭代效率。

1 道路载荷谱采集

此次道路载荷谱采集试验车辆为满足相应企业规范的工程样车，在试验前按照试验规范要求对车辆状态进行检查，确认整车状态参数和零部件参数满足试验需求。同时在采集前根据所需通道数，在零部件相应位置黏贴应变片，布置加速度、位移等传感器，试验车辆按照载荷要求进行配载。信号采集过程中，为保证数据的可选择性，各循环工况一般采集三遍重复的样本数据，且每采集一段完整路面数据后，应及时检测数据的有效性与准确性，确保每次采集的数据准确且可用。

2 载荷谱预处理

2.1 异常数据检查

采集到的数据，首先应检查有无异常数据的出现。异常信号主要包括毛刺、信号漂移等。对异常信号进行除毛刺、滤波、去漂移等处理，使测得的信号能被用于下一阶段的分析。

2.1.1 毛刺信号的检查

在数据采集过程中，经常会受到外部信号的干扰，由于随机干扰信号的频带较宽，导致采集的离散数据会形成尖峰即毛刺。为消除这些干扰信号的影响，需要对采集数据进行毛刺的检测并删除。常用的毛刺检测方法有：幅值法、微分法、统计法和CF（CrestFactor）法[1-2]，本方法采用比较全面的CF法。现假设有一个毛刺信号为Yi，为通过CF计算法检测该信号，首先取一窗口长度为L（该参数根据不同的数据类型选择不同，可通过点数定义，对时间序列也可采用时间为单位），则可以通过下列公式1来计算Yi的CrestFactor：

当满足CF（Yi）＞CFLimit时，则判断Yi为毛刺信号。另外，在消除毛刺信号时应结合其他信号的相关性来确认此信号为毛刺信号，避免将正确的信号误认为毛刺信号删除而带来误差。

图1 去毛刺前信号

2.1.2 漂移信号的检查

在信号采集过程中，由于受温度等因素的影响，可能产生信号的漂移，漂移信号会影响后续的数据分析结果，为得到准确的原始采集数据，需要消除漂移信号。去除漂移信号的原理是，利用百分比数值变化的概念，计算公式如下列公式2所示。

图2 去毛刺后信号

上述公式中，Di为某一窗口的平均值，DF为第一个窗口的平均值。设置PercentRange的值[3]，此值根据实际采集的数据而定。当满足：PercentChange（Pi）＞PercentRange时则认为这一窗口存在漂移现象，需要对该窗口的数据进行更正消除。如下图3为典型的发生漂移信号的数据，图4所示为去漂移后的信号数据。

图3 去漂移前信号

图4 去漂移后信号

2.2 目标信号选取

2.2.1 目标数据选取

在信号采集过程中，为保证信号的完整性，对同一循环工况均采集了三遍数据，需要从三个样本数据中选择后续用于处理的数据即目标信号[4]。综合比较三个样本信号的极值，与损伤值，从中选取数值较为合理的数据样本。如下图所示，采集的样本数据分别为DATA1、DATA2、DATA3，对数据进行分析处理，从图中选择数据点较为集中的数据样本。下图中，横坐标为数据样本极值与平均值的比值，纵坐标为损伤值与平均值的比值。从图中可以看出，DATA1，DATA2的数据较为分散，综合数据点的分布来看，DATA3的数据较为集中，因此，该系列数据选择DATA3作为目标数据。

图5 损伤值与极值分布

其他各循环采用相同的方法选取对应的目标数据。

2.2.2 目标信号提取

在一个数据循环中，一般包括有多种路面工况的数据，需要从中分别截取不同工况下的路谱数据。通过路谱信号中的GPS信号与逻辑开关信号来区分不同路面的起止位置，从而截取对应路面的路谱数据。

图6 GPS位置图

图7 工况截取

对应不同路面，分别截取相关的信号，得到每个工况所对应的路谱数据，如图7所示，将路谱数据分割为单一工况数据并保存。

3 路谱重构

3.1 重构原理

在实测过程中，一般采集的路面工况数据较多，在本项目中，一共采集了20个工况的路面数据。但是在后期虚拟迭代过程中，为了提高计算效率，并不需要对每一种路面数据均进行迭代。从中合理选择部分工况数据代替采集到的20个工况路面，使得重构的路面数据与采集的20工况路面数据等效，此过程称之为路谱重构或路谱等效。在路谱重构时，主要从信号的极值、损伤值等参数来对比信号之间的差异。

3.1.1 雨流计数法

实测路谱作为随机载荷，为了获取内部有效信息，需要采用统计计数法得到相应的载荷幅值和循环次数。对于同一载荷-时间历程，采用不同的计数方法计数时，所得结果可能相差很大。经过实验证明，对零部件疲劳影响因素不仅是载荷幅值和循环次数，载荷的波动顺序同样会影响零部件的疲劳寿命。为了更好地保留载荷信息，目前广泛采用雨流统计法进行统计分析。雨流统计法是建立在对封闭的应力-应变迟滞回线进行逐个计数的基础上，统计载荷循环中的全循环和半循环[5-6]。雨流计数原理如下图所示，将得到的载荷-时间历程信号旋转90度，得到下图所示的曲线。

图8 雨流计数原理图

1）假想雨流依次从载荷-时间历程波峰或者波谷的内测沿斜坡向下流淌；

2）起始于波谷的雨流遇到更低的谷值时停止；起始于波峰的雨流遇到比它更高的峰值时停止；

3）当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时，停止流动并记为一个循环；

4）根据雨流的起始点绘出各循环，记录各个循环并记录其峰谷值。

通过该计数方法，可以将路谱载荷数转换成对应的雨流矩阵图。

3.1.2 路面匹配理论

路面匹配理论是将采集的N种路面工况通过计算其循环次数来进行路面匹配。即已知目标的雨流矩阵方程后，其中包括各个路面和各个测点通道的雨流矩阵，通过匹配合适的循环次数，使其与既定的目标矩阵相等。在这个过程中，需要完成路面的选择和循环次数的计算两个过程。如下图所示：

图9 路面匹配原理

3.2 重构方法流程

通过该方法来进行路面重构主要在nCode软件中来完成。重构过程中，主要采取如下步骤：

3.2.1 极值分析

分别统计不同路面在各个方向上的力和力矩的分布，得到各方向的力和力矩的极值分布情况，如下图10所示为FX的极值分布图。从极值分布图中挑选出极值主要分布的路面种类，重构过程中重点关注出现极值的路面。

图10 FX极值分布

3.2.2 频谱分析

对各方向的力和力矩进行频谱分析，得到测得的各方向的力和力矩的分布频带，如下图所示分析得到FX方向频率分布范围。

图11 FX频率带分析

3.2.3 总损伤分析

通过试验场路试试验规范，对主要分布频带进行循环计算，得到各个通道在不同路面的损伤值，从而确定总损伤的目标值。

图12 RDS分析

3.2.4 匹配分析

通过nCode软件的TestMatch功能可确定每个路面循环次数，根据文章3.1.2中的路面匹配理论，利用nCode软件，可计算出每个路面的循环次数，如下表1所示，结合软件计算结果和前期数据分析结果，合理选择最终重构路面的种类。

表1 工况简化结果

4 结果验证

重构后的结果需要进行结果验证来确保重构后的结果能满足重构要求。主要从以下三个方面来验证结果的准确性。

4.1 相对损伤值

对重构前后的主要采集通道进行损伤值比较，一般要求相对损伤值保留在0.5-2之间即符合要求。如下图13雷达图所示。

图13 主要通道相对损伤值比较

4.2 RDS验证

分别计算重构前后的损伤分布频带，为保证重构前后的频率组成不变，要求重构后各个方向通道的损伤频带与重构前的一致。如下图14所示为右前轮WFT的Fx频率分布对比图。

图14 重构前后RF-WFT-Fx对比图

4.3 载荷雨流分布验证

雨流统计计数能够反应相应的载荷幅值和循环次数，分别对重构前后的力和力矩进行雨流统计，比较两者的一致性。通过对比发现重构前后的路谱数据雨流分布基本一致，满足重构要求。如下图15所示为重构前后左前轮六分力FX的雨流分布对比图。可以看出雨流分布整体是保持一致的。

图15 重构前后的FL-WFT-FX对比图

5 结论

通过对路谱重构结果的验证，对比分析重构前后的路谱数据，得到路谱数据重构后的结果符合重构要求，满足后续CAE分析等输入需求，因此本文基于实测路谱的路谱重构技术得到验证，该技术方法能够用于等效实测路谱。