四立柱台架加速试验案例

5.2 主要考虑载荷分布的情况

在第5.1小节列举了四个零部件台架加速试验的例子，包括排气系统冷端后挂钩及消声筒焊缝液压伺服台架试验、传动系统齿轮旋转台架试验、单轴电磁振动台和车轮双轴疲劳试验。这四个例子由于所承受的载荷形式不同，因此处理方法也截然不同，但是，都需要统筹考虑载荷分布和强度分布两个因素对于试验结果进行解读和决策，来判断一批试验样品是否满足要求。

本节讨论两方面规范制定过程中的技术应对。一个是四立柱轮耦合台架试验规范的制定，一个是强化路面试验场试验规范的制定。

四立柱轮耦合台架规范的制定属于道路模拟试验规范的范畴，与此相类似的329轴耦合试验台架、MAST多轴道路模拟振动试验台、Cab Shaker台架，都是以多轴时域波形回放（TWR）作为控制技术的液压试验台架，其试验载荷谱的编制有类似的地方，因此用四立柱台架做一个例子，来谈一下这类问题的处理方法。

把试验场强化路面试验规范的制定也放在这一节，实际上是把车辆在强化路面试验场上的路试作为更为逼真、全面的、广义“道路载荷模拟”试验。

由于此类试验的测试对象多为子系统或是整车，在规范的制定过程中再纳入强度分布的因素，其可操作性是比较差的，因此，往往只考虑载荷分布的因素来制定相关的规范。也就是说，如图5-30所示，将涉及到的目标载荷的分布全部纳入考量，一旦指定一个概率指标（比如说95％）则目标载荷的分位数就会明确。那么，在制定规范的时候尽可能让规范所对应的载荷强度高于、且接近这些目标载荷的一系列分位数即可。这是从损伤当量的维度去处理和把握此类问题的原则和思路，当然还会涉及到其它一些方面的要求。

5.2.1 四立柱台架加速试验案例

如图5-31所示，是典型的乘用车四立柱轮耦合台架。在道路载荷数据采集的过程中，获得了车辆上安装的一些传感器获得的典型工况下的一些时域信号。这些时域信号将成为目标信号，在以四立柱为代表的多轴液压台架上，通过所谓时域波形回放（TWR）的控制技术去复现。

如图5-32所示，特别是当这些目标信号来源于公共路面（比如高速路）的时候，信号中往往都会包含一些对于损伤贡献不大的成份，而这些成份占据和耗费的时间有时候很大，这就构成了对于这类问题可以进行试验加速的先天条件。

如图5-33所示，用一个指定的时间窗口去过滤每一个参与其中的目标信号（滤波），一旦在某一个时间窗口内参与其中的所有目标信号的载荷波动都小于某一个预先指定的阈值，那么就可以将这一段时间窗口的信号滤掉。按照这一原则，如图5-32所示，压缩前和压缩后的目标信号经过Range Pair计数后计算伪损伤的差异须很小才可以，以满足试验载荷加速的过程中从幅值方面确保伪损伤的相似性。

图5-30 道路模拟试验和强化路面试验场试验规范制定过程中的主要原则²
 
图5-31 四立柱轮耦合台架

 
图5-32 压缩前和压缩后的目标信号对比²

由于是多轴载荷，牵扯到多轴疲劳的问题。因此，当轴的数目不是太多的情况下，滤波的条件和判据除了要求参与其中的全部目标信号的载荷波动在某一个时间窗口内都须小于某一个预先指定的阈值外，如图5-33所示，最好将相关的多轴载荷投影到各个可能的投影方向𝒔𝟎上，并追加要求载荷向量𝑳𝟎(𝑡)沿着各个可能的投影方向𝒔𝟎的投影𝐿(𝑡)=𝒔𝟎∙𝑳𝟎(𝑡)在该时间窗口内也都须小于预先指定的阈值，才可以滤掉这一段信号。可以想见，一旦多轴的“轴数”很多，这种投影的组合会陡然上升，因此，TecWare软件允许六轴及其以下的多轴问题都可以选择在滤波的过程中考虑多轴投影的因素。对于多轴疲劳的问题，在没有外载荷与内部响应之间更为详细的补充信息的条件下，这一处理方法是非常严谨且偏于安全的。

另外，无论是否采用和考虑多轴投影这一因素，滤波之后需要通过光滑的信号对于滤波后的信号进行连接和过度，以避免能量泄露。

由于在滤波的过程中，一旦出发了滤波条件，参与其中的全部目标信号会全部滤掉相关载荷，否则的化全部保留这一段载荷，这样一种处理原则确保了相关载荷之间相位关系（CSD）和加载次序不会发生变化。

一般来说，液压台架所能回放的载荷频率不会太高（一般来说100Hz以下），但是如果将整车作为测试对象的化这一频率范围已经足够引发整车结构的动力学响应（𝑓𝑙𝑜𝑎𝑑>0.5𝑓𝑙𝑜𝑤），因此，需要从频率的角度去考虑和确保载荷的相似性。如图5-32所示，由于在时域中的滤波和压缩增强了信号的RMS值，依据Wiener-Khintchine公式，在杜绝信号能量泄露（对于压缩后的信号进行必要和光滑过度和连接）的情况下，压缩后信号的PSD必然出现增强的趋势，这是一方面影响和改变。另一方面，由于压缩掉的信号都是小幅值成份，因此，压缩后信号PSD的整体趋势没有发生变化，也就是说，压缩前能量相对比较强度频段在压缩后能量仍然相对比较强，压缩前能量相对比较弱的频段在压缩后能量也依然相对比较弱。因此，如图5-32所示，依据这一方法压缩后的载荷PSD呈现“整体上移、形态不变”的整体特点，这将确保用压缩后的载荷去开展相关试验时，整车结构在动力学响应方面具备相似性。

在均值影响方面，将整车在实际工况中的自然状态作为平均应力状态在多轴液压台架上去复现。在大数据时代和用户关联技术体系支撑下，如第1章图1-12(g)所示，车辆负载的概率分布和权重信息对于更客观和精准的将均值因素在多轴液压台架试验规范的制定中加以考虑，提供了很好的条件和重要依据。

如上所述，在以四立柱台架为代表的多轴液压台架试验规范的制定中，从构建损伤相似性的角度出发，载荷方面需要关注的要点、处理的思路和应对的策略，汇总于表5-7。

表5-7 四立柱台架载荷谱编制关注要点

以四立柱轮耦合台架为例，假设试验中关注的几个目标载荷为四个轮子六分力的垂向分量，即𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝐿𝐹_𝑧、 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑅𝐹_𝑧、 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝐿𝑅_𝑧和 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑅𝑅_𝑧，那么，在此类试验中需要解决的一个源于载荷方面的不确定度是，这些载荷在四立柱轮耦合试验中需要重复多少次，才能达到比如说95％的覆盖范围。

以𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝐿𝐹_𝑧为例，将𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝐿𝐹_𝑧进行Range Pair计数（如第3章3.1.1.2小节所述），并计算伪损伤密度d（如第1章1.2.1小节所述）。在用户关联的技术体系下，可以借助第1章式(1-38)，获得伪损伤密度d或其对数的数学期望；可以借助式(1-41)所示，获得伪损伤密度d或其对数的方差。在明确设计里程L后，可以借助数学期望和方差的简单性质（如第1章相关章节所述），并经由第1章式(1-10)所示，将伪损伤密度d对数的数学期望和方差，折合成达到计里程L时对应于95％概率指标的伪损伤𝐷𝐿_95%。在四立柱轮耦合台架试验中有一 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝐿𝐹_𝑧的目标载荷谱，只要计算将这个目标载荷谱重只要计算将这个目标载荷谱重复 𝑛𝐿𝐹_𝑧次，使之产生的伪损伤能够达次，使之产生的伪损伤能够达到 𝐷𝐿_95%即可。对于 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑅𝐹_𝑧、𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝐿𝑅_𝑧和 𝐹𝑜𝑟𝑐𝑒𝑅𝑅_𝑧如法炮制，确定 𝑛𝑅𝐹_𝑧、 𝑛𝐿𝑅_𝑧和 𝑛𝑅𝑅_𝑧，并将 𝑛=max⁡{𝑛𝐿𝐹𝑧,𝑛𝑅𝐹𝑧,𝑛𝐿𝑅𝑧,𝑛𝑅𝑅_𝑧}作为试验重复的次数，此即图5-30所表示的主要思想。

图5-33 多轴雨流投影滤波（RP Filter）示意图²

《车辆耐久性载荷分析》

本书介绍了车辆耐久性载荷分析中经常使用的、经典统计学中的一些重要结论和方法，道路载荷数据处理的常用方法，并介绍了金属材料与结构高周疲劳损伤和寿命评估的基础理论，以明确构建金属结构疲劳损伤相似性时载荷方面所应注意的诸多因素，并通过案例对车辆耐久性台架试验载荷谱的编制和整车耐久性试验场强化路面规范的编制进行了说明。

本书适用于汽车行业从事道路载荷数据分析、车辆耐久性台架试验、整车耐久性强化路面试验和车辆耐久性仿真的相关技术人员学习参考，也可作为高等院校汽车相关专业师生的参考书。