乘用车道路耐久性试验规范开发的方法浅析.doc

乘用车道路耐久性试验规范开发的方法浅析 　　摘 要：以给定的车辆结构损伤数据为目标源，浅析了建立道路耐久性试验规范的方法。根据试验场内道路特征进行数据采集，数据处理后形成了用于损伤计算的雨流矩阵样本数据。由Miner疲劳线性累积损伤理论，结合损伤数据源对样本数据进行了相对损伤值计算，并进一步根据迭代计算结果优化了行驶规范，确立了完整的道路耐久性试验规范。 　　关键词：道路耐久性试验；疲劳损伤；试验规范；雨流矩阵；道路试验场 　　中图分类号： U467.11文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2014.02.11 　　整车认证试验过程中，根据其考核内容，需要开发出满足有效认证的道路耐久性试验规范。本文以某项道路耐久性试验规范开发为研究对象，在新建设的试验场上，以已知的车辆结构损伤数据为目标，探讨了用于试验场的道路耐久性试验规范开发的一般方法。 　　道路试验与典型客户操作和典型道路载荷谱有很大关联。获取典型客户的使用数据需要进行必要的数据采集，构建道路载荷谱则需要了解路面不平整度状况[1]。以某汽车公司为例，通过抽样调查和建立客户使用采集系统的方法能获得目标客户在公共道路环境的实际客户操作数据；通过专用测量车辆可以获得车辆在目标道路上的实际道路载荷分布。通过数理统计方法对以上数据进行分析和外推就能得到车辆在一定使用周期内累积客户使用和结构累积损伤。 　　同时，试验规范的开发是一个建立疲劳相关分析的过程。它以试车场道路和设施为基础，将主要承载结构系统部件和用户实际使用的各种道路、驾驶、操作事件量化成总体疲劳损伤并以此作为试验规范开发的目标。根据疲劳强度和线性损伤累积理论，对典型驾驶操作子规范进行优化组合，通过取得与目标等效的疲劳损伤而取得各典型驾驶操作子规范的加权循环次数，从而完成试验规范。 　　1 道路耐久性试验理论基础 　　1.1 简化和假设 　　道路耐久性试验规范开发过程中，考虑路面激励是随机而又平均地分布在整个试验过程中，且暂不考虑极大载荷输入，可以认为试验车辆经过不同特征路面所受到的激励具有非时序性，当车辆结构发生疲劳失效时与经过特征路面的顺序无关。 　　同时，道路载荷谱在采集过程中，包括了力、力矩、应变等参数，“损伤”计算实际是将各种激励信号简化成广义的应力和应变，因此结构疲劳损伤计算是对“广义损伤”进行求解。 　　1.2 相关性分析数学模型 　　根据Miner疲劳线性累积损伤理论，疲劳失效是由于结构在各种应力水平下疲劳损伤累积的结果。基于上述简化和假设，车辆各测量通道上的结构疲劳损伤具有线性叠加特性。因此，可以基于线性疲劳损伤理论建立数学模型。 　　根据疲劳线性累积损伤理论[2] 　　。 　　式中，m为根据应力性质和材料确定的常数；c为由已知条件确定的常数[2-3]。 　　将实际载荷应力水平分l级，则其某一测量通道的广义应力循环数雨流矩阵为 　　。 　　其对应的疲劳损伤矩阵为 　　。 　　疲劳载荷作用下的广义总损伤为 　　。 　　同理，车辆某一测量通道在经过第j种道路行驶子规范后，所获取的l级广义应力循环数雨流矩阵为 　　。 　　疲劳载荷损伤矩阵为 　　。 　　若耐久规范由K种道路行驶子规范构成，其道路特征上的强化系数为Xp，则广义总体损伤为 　　。 　　式中，si 为第i级载荷；ni 为第i级载荷循环数[3]。 　　由疲劳线性累积损伤理论可知，若目标源与组合道路的广义损伤值相接近时即D=εd （ε为损伤相关系数），表明在K种道路行驶规范组合下通过[Xp]循环可以实现目标道路谱的载荷历程。 　　基于载荷谱的等效原理，建立采样数据矩阵与目标载荷数据源矩阵的关系方程如下。 　　D=εd 。 　　即 　　。 　　式中，L为测量通道数目；k为道路行驶子规范数；J为总的应力水平级数。 　　以上数学模型是对多个测量通道的线性叠加形成的超定方程组（LK），超定方程组没有精确的解，一般通过最小二乘法对离散解进行拟合求出最接近的解。同时，通过蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟方法[4]建立约束条件，如设定试验总时间、试验总里程等，可对求解进一步优化选择出符合各个通道损伤要求的解。计算过程中，考虑道路试验规范对车辆各系统的考核权重，对测量通道各轴向的相关性水平进行调整，求得最优方案。 　　2 采样通道与行驶子规范 　　2.1 采样通道 　　为建立目标道路载荷和试验道路载荷及累积损伤的相关性，需要对基于试验场的道路行驶规范进行道路载谱测量。 　　考虑所研究的道路试验规范开发的主要目标是以车辆承载结构的累积损伤为数据源建立耐久性试验，因此采样通道的选择以垂向激励特性、侧向激励特性、车身扭曲受力特性等为测量目标。测