目标用户道路谱与试验场道路谱的载荷当量等效模拟研究.docx

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目标用户道路谱与试验场道路谱的载荷当量等效模拟研究

２００７年

第７期

１前言

道路试验是汽车开发过程中不可或缺的重要

阶段。

我国各地的道路情况差异较大，因而有必要对典型地区道路载荷谱进行分析，找出其与试车场道路载荷谱对应关系，为制定适合我国的试验谱系及规范提供理论依据和有效参数。

将地区道路等效成试车场道路不同路段混合而成的组合路段，即得到地区道路与试验场道路载荷谱的当量关系，就可在试车场按一定比例混合各种路面来再现目标用户地区道路载荷输入，进一步扩展外推后，便可了解车辆在较长里程后的损伤情况，达到加速试验的目的。

本文通过对后桥载荷谱的分析，根据调查确定的用户使用道路的组成比例和里程，得出用户道路载荷谱与试车场道路载荷谱的当量关系，可作为产品设计开发和制定符合我国道路特点的试验标准

的参考，具有实际指导意义。

２道路载荷谱的采集

研究选择安徽某试车场强化试验路段作为道路

谱采集的试验道路。

试验道路一个循环总长为６．６

ｋｍ，共设１６种特殊路面，包括轿车使用过程中可能

遇到的各种路面状况。

为考察实际用户使用道路与试验场道路间的组合关系，根据我国某汽车公司的用户调查统计，确定典型地区道路分别为江苏某地高速路段、浙江某市郊区普通沥青路段、浙江某市山路和市区严重破坏沥青路面，分别用于代表高速公路、一般道路、山路和恶劣道路［１］。

试验车辆是一部装备齐全、经过磨合期后且车况良好的某中级轿车，为５挡手动变速器，并按要求配重。

３道路载荷谱的研究

调查发现，一般用户通过高速公路、一般道路、

・设计・计算・研究・

目标用户道路谱与试验场道路谱的

载荷当量等效模拟研究

吴建国

周

鋐

陈栋华

魏传峰

（同济大学）

【摘要】基于实测后桥轴头的垂向力、纵向力和测向力信号，利用载荷分析软件，对某车型在典型地区道路和某试车场道路上实测得到的后桥载荷谱进行疲劳特性分析，得出了各类道路经雨流统计的载荷特性，进而将试车场各路段进行组合来等效模拟用户使用道路。

对用户使用道路与模拟后的试车场组合路段进行了多轴载荷损伤比较分析，验证了两者间的等效关系。

主题词：

载荷谱道路等效模拟多轴损伤

中图分类号：

Ｕ４６７．１＋１文献标识码：

Ａ

文章编号：

１０００－３７０３（２００７）０７－００２１－０３

ＳｔｕｄｙｏｎＲｏａｄＥｑｕｉｖａｌｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＢａｓｅｄｏｎＬｏａｄｉｎｇ

ＳｐｅｃｔｒｕｍｓｉｎＣｕｓｔｏｍｅｒＲｏａｄａｎｄＰｒｏｖｉｎｇＧｒｏｕｎｄ

ＷｕＪｉａｎｇｕｏ，ＺｈｏｕＨｏｎｇ，ＣｈｅｎＤｏｎｇｈｕａ，Ｗｅｉｃｈｕａｎｆｅｎｇ

（ＴｏｎｇｊｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓａｎａｌｙｓｉｓｉｓｂａｓｅｄｏｎｓｉｇｎａｌｓｏｆｖｅｒｔｉｃａｌ，ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌａｎｄｌａｔｅｒａｌｆｏｒｃｅｓａｎｄｌｏａｄｉｎｇ－ａｎａｌｙｓｉｓｓｏｆｔｗａｒｅ．

Ｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｃｔｒｕｍｓｏｆａｃｅｒｔａｉｎｃａｒ’ｓｒｅａｒａｘｌｅａｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄｂｅｔｗｅｅｎｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｃｔｒｕｍｓｉｎｔｙｐｉｃａｌｒｏａｄｓａｎｄｓｐｅｃｔｒｕｍｓｉｎａｃｅｒｔａｉｎｐｒｏｖｉｎｇｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄｇｅｔｔｈｅｒａｉｎｆｌｏｗｌｏａｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏａｄｓ．Ｔｈｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏａｄｓｏｆｐｒｏｖｉｎｇｇｒｏｕｎｄｗｉｌｌｂｅｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｃｕｓｔｏｍｅｒｒｏａｄ．Ｍｕｌｔｉａｘｉａｌｌｏａｄｄａｍａｇｅｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｂｅｔｗｅｅｎｃｕｓｔｏｍｅｒｒｏａｄｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｃｏｍｂｉｎｅｄｒｏａｄｓｉｎｐｒｏｖｉｎｇｇｒｏｕｎｄ，ａｎｄｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｉｒｅｑｕｉｖａｌｅｎｃｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

Ｌｏａｄｉｎｇｓｐｅｃｔｒｕｍｓ，Ｒｏａｄｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，Ｍｕｌｔｉａｘｉａｌｄａｍａｇｅｓ

２１——

汽车技术

－１．７８－０．５４０．７０１．９４

－１．１６０．０８１．３２

载荷／ｋＮ

－１．８０－１．４９－１．１８－０．８７－０．５６－０．２４０．０７０．３８０．６９１．００１．３１１．６３１．９４

≤０≤３≤１０≤３２≤１０２≤３２５≤１０３４≤３２８９≤１０４５９≤３３２６３

载荷／ｋＮ

循环次数

８１６２４３２４０４８５６６４７２８０８８９６

８１６２４３２４０４８５６６４７２８０８８９６

ｔｏ

ｆｒｏｍ

８１６２４３２４０４８５６６４７２８０８８９６８１６２４３２４０４８５６６４７２８０８８９６

－２．８１－０．１１２．５９５．２９

－１．４６１．２４３．９４

载荷／ｋＮ

－２．７８×１００

－２．１１×１００－１．４３×１００－７．８２×１０－１－８．９５×１０－２－５．８３×１０－１１．２６×１００１．９３×１００２．８０×１００３．２７×１００３．９５×１００４．０２×１００５．２９×１００≤０≤３≤１０≤３２≤１０２≤３２５≤１０３４≤３２８９≤１０４５９≤３３２６３

循环次数

ｆｒｏｍ

ｔｏ

载荷／ｋＮ

８１６２４３２４０４８５６６４７２８０８８９６

≤０

≤３≤１０≤３２≤１０２≤３２５≤１０３４≤３２８９≤１０４５９≤３３２６３

ｆｒｏｍ

ｔｏ

循环次数

８１６２４３２４０４８５６６４７２８０８８９６０．０２

３．０２

６．０２９．０２１．５２

４．５２７．５２载荷／ｋＮ

４．２０×１０－３７．５６×１０－１

１．５１×１００２．２６×１００３．０１×１００３．７６×１００４．３１×１０００．２７×１０００．０２×１０００．７７×１００７．５２×１００８．２７×１００９．０２×１００

载荷／ｋＮ

一个雨流矩阵由很多含有不同峰值和谷值构成的循环所组成。

图２中每个点对应的右坐标轴和下坐标轴的数值分别表示循环历程中先后经历到的２个极值（峰值或谷值），左侧和上侧的数值是将右、下坐标轴刻度按比例等分成１００×１００个小方格。

每当一个循环的峰（谷）值落于某一方格中，便在该方格区域的循环次数上＋１。

次数最终用亮度表示，某方格循环次数越多，该方格的颜色越亮。

３．２以试车场道路等效模拟用户使用道路

首先将试车场强化道路根据其路面特征状况进行归类划分，得到１６种路段，如表１所列。

采集各路段的道路载荷谱信号（轮轴分力信号），分别进行雨流计数，得到１６种路段的雨流矩阵，利用载荷分析软件的ＣｏｍｂｉＴｒａｃｋ工具，将１６个雨流矩阵分别输入组合对象中，将叠加得到的用户使用道路雨流矩阵输入目标对象中，进行等效模拟［４］，结果见表１。

试验场路段总长６．６ｋｍ，模拟后的每段等效路段长度＝试验场路段长度×权重系数（即推广的倍数）。

山路和恶劣道路的里程比例分别为４０％、５０％、５％和５％［２］。

为考察实际用户使用道路与试验场道路间的组合关系，将试车场各种特殊路段通过分割、外推和拼接来等效模拟４０００ｋｍ高速公路、５０００ｋｍ一般道路、５００ｋｍ山路和５００ｋｍ恶劣道路等共１００００ｋｍ的道路情况，并最后对实际用户道路和等效模拟道路的车辆后桥多轴损伤进行比较，用于验证。

３．１用户实际道路谱雨流矩阵的编辑和处理雨流计数法是目前使用最多的双参数统计计数

法。

通过雨流计数法的计算可以得到局部应力、应变的循环次数，并用雨流矩阵的形式表现出来。

雨流矩阵也经常用于描述零件所承受的载荷谱［３］，疲劳研究中的目标载荷谱是由道路实测时间历程进行雨流计数后再进行外推、叠加、修正后组合而成。

为了真实反映用户实际使用道路情况，首先采集４种典型路面条件下由测量轮测得的后桥轮轴处

纵向力ＦＸ、侧向力ＦＹ、垂向力ＦＺ信号，图１为后桥轴头三分力作用点位置和方向示意；然后使用载荷分析软件分别进行雨流计数，按照组合比例４０％、５０％、

５％和５％分别推广到４０００、５０００、５００、５００ｋｍ；再将

４段道路进行雨流叠加后得到目标用户道路的雨流

矩阵［４］，结果如图２所示。

图１后桥轴头分力作用位置

侧向力ＦＹ

纵向力ＦＸ

垂向力ＦＺ

（ａ）纵向载荷

（ｂ）侧向载荷

（ｃ）垂向载荷

图２

叠加后的用户使用道路雨流矩阵

表１

等效模拟用户使用道路的试车场各种路段组合

定远试

车场道路路段卵石路沥青路水泥路水泥路弯道

弯道

下坡

砂石路

搓板路石块路

弯道

减速坎

铁路道口

路桥接缝

路面凸起

路面凹坑

鱼鳞坑

石块路

试验场路段长

／ｋｍ

０．１４０５０．１２２６０．１４５８０．２０５３０．０８０３０．２２．０４３３０．２０３７２．０９３９０．０５４６０．０６２５０．３８３６０．０６１２０．０５４１０．１７４１０．４５６８

权重系数０００２７４２６２７３９２０２４２１６０２１３８０１１４３８６０

０

等效组合路段长／ｋｍ

０００５６．２５２２２１０．９４８１７８４．００００４９４．４７８６３．２５９２０１．１４６６２．３７５００６．９７６８２０．８８２６００

２２——

２００７年第７期

表２为ＣｏｍｂｉＴｒａｃｋ工具提供的两种路面的后桥名义损伤比较，图３中的比例值为组合路段总损伤值除以用户使用道路损伤值得到的百分比。

从图

３看到，等效组合路段在３个方向的损伤值与实际

使用道路３个方向的损伤值接近，表明模拟效果很

好。

另外从表２也可看出，垂向载荷带来的损伤影响最大，其次是纵向载荷，侧向载荷带来的损伤不及垂向的百分之一。

表２

用户使用道路与组合路段后桥轴头分力名义损伤比较

图３组合路段总损伤值除以用户使用道路损伤值得到的百分比

３．３多轴载荷损伤验证

多轴载荷计算即多轴疲劳分析，是通过多通道

的线性组合来计算损伤的一种方法。

对多轴载荷的分析是基于以弹塑性力学为依据的模型以及与之相关的雨流计数法来进行的。

它除单轴雨流信息外，还包含了单个载荷之间的相位和耦合关系的信息［５］

。

为了验证试车场组合道路是否能较好地等效模拟用户使用道路，用载荷分析软件分别对两种道路进行多轴损伤分析。

对于用户使用道路，将４段典型地区道路分别进行多轴载荷分析，然后按各自比例外推到１００００ｋｍ，并进行叠加；对于试车场组合路段，对每段实测后的载荷谱分别进行多轴载荷分析，然后按照表１中权重系数进行线性外推并叠加。

图

４为最终得到的用户使用道路和等效模拟路段多轴

损伤分析图，横、纵坐标分别代表纵向载荷方向和侧向载荷方向，垂向载荷方向用一系列的同心圆来表示，３个方向的数字分别表示单位矢量在该方向上的投影。

损伤用亮度表示，最亮的点即是最大损伤载荷方向，两种道路的最大损伤值（用单位矢量表示）分别出现在（０．５６７，０．００７，０．８２４）和（０．５７５，０，０．８１８）方向，分别为７．５２１７×１０－１６和７．４６５４×１０－１６，两者比较相似，证明等效模拟结果可靠，方法是正确的。

从图４还可看出，道路损伤主要由垂向力产生，纵向力次之，侧向力对损伤基本无影响。

（ａ）试车场组合路段（ｂ）用户使用道路图４

多轴损伤分析图

４结束语

基于实测后桥轴头力信号，将用户使用道路进

行试车场路段等效模拟，并比较两者之间名义损伤结果。

验证结果表明，通过对试车场的各种路段的线性组合，能够很好地等效模拟用户使用道路情况，这为１０万ｋｍ甚至几十万ｋｍ的道路谱采集提供了方便的道路谱等效处理方式。

该模拟方法可推广用于不同地区的道路及典型路面，亦能在台架上可靠地复现实际道路载荷，还能作为虚拟试验模型的驱动信号获取方法，同时该研究可为实际试车场的实车试验设计提供理论依据。

参

考

文

献

１卞云洲．轿车后桥典型路况研究：

［学位论文］．上海：

同济大学，２００３．

２彭为．典型地区道路与ＥＶＰ载荷谱当量关系及轿车后桥寿命数字化预测研究：

［学位论文］．上海：

同济大学，２００４．

３Ｒｙｃｈｌｉｋ，Ｉ．ＡＮｅｗＤｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅＲａｉｎｆｌｏｗＣｙｃｌｅＣｏｕｎｔｉｎｇＭｅ－ｔｈｏｄ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｆａｔｉｇｕｅ．１９８７．

４ＬＭＳＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ．ＬＭＳＴｅｃＷａｒｅＤｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ１９９９．５

ＢｅｓｔｅＡ．ＭｕｌｔｉａｘｉａｌＲａｉｎｆｌｏｗ：

ＡＣｏｎｓｅｑｕｅｎｔＣｏｎｔｉｎｕａｔｉｏｎｏｆＰｒ－

后桥轴头三分力作用方向

用户使用道

路损伤值

试车场组合路段损伤值

Ｘ向１．４８１８×１０－１６１．４７６０×１０－１６Ｙ向２．７５１９×１０－１８２．７５３１×１０－１８Ｚ向

３．５１３１×１０

－１６

３．５３０８×１０

－１６

１．００．８０．６０．４０．２０－０．２－０．４－０．６－０．８－１．０名义损伤值

６．００×１０－１６５．５０×１０－１６５．００×１０－１６４．５０×１０－１６４．００×１０－１６３．５０×１０－１６３．００×１０－１６２．５０×１０－１６２．００×１０－１６１．５０×１０－１６１．００×１０－１６５．００×１０－１７２．６０×１０－１８

－１．１

－０．５

０

０．５１．１

Ｘ向

Ｙ向

６．７７×１０－１６６．５０×１０－１６

名义损伤值

６．００×１０－１６５．５０×１０－１６５．００×１０－１６４．５０×１０－１６４．００×１０－１６３．５０×１０－１６３．００×１０－１６２．５０×１０－１６２．００×１０－１６１．５０×１０－１６１．００×１０－１６５．００×１０－１７２．２３×１０－１８

１．０

０．８０．６０．４０．２０－０．２－０．４－０．６－０．８－１．０Ｙ向－１．１

－０．５

００．５１．１

Ｘ向

６．７７×１０－１６６．５０×１０－１６

Ｘ向

Ｙ向Ｚ向

０

１０

２０

３０

４０５０６０７０８０９０

１００

１００

１００１０１２３——

汽

车

技

术

!

吉林大学创新基金资助项目。

１前言

虚拟激励法是由我国学者提出的用于分析结

构系统随机振动的新方法，是具有理论研究与工程应用前景的创新性成果，在土木、海洋等工程领域

得到应用和重视［１～３］。

如何更好地将其应用于汽车随

机振动的研究中，是一个值得探讨的问题。

从工程应用的角度来看，现有关于虚拟激励法的介绍过于理论化，不利于其在工程领域的推广与广泛应用。

本文采用工程设计人员易于理解的方式对虚拟激励法的基本理论进行总结，并以１／４汽车单自由度

振动系统为研究对象，将其应用于汽车随机振动的研究中，为虚拟激励法在汽车领域的进一步推广与应用奠定基础。

２

虚拟激励法的基本理论

２．１

虚拟激励法的理论基础

对于受到平稳随机激励的线性系统，频率响应

是表征系统在频域的动态特性的函数，决定了系统响应（输出）与激励（输入）之间的关系，是频率的函数。

在零初始条件下，对常系数线性系统，频率响

ｏｆｅｓｓｏｒＴａｔｓｕｏＥｎｄｏ’ｓｗｏｒｋ．ＩｎＹ．Ｍｕｒａｋａｍｉ，Ｅｄ．，ＴｈｅＲａｉｎｆｌｏｗＭｅｔｈｏｄｉｎＦａｔｉｇｕｅ．Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ＆Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ，Ｏｘｆｏｒｄ１９９２．６

陈栋华轿车底盘零部件耐久性虚拟试验理论与方法研

究：

［学位论文］．上海：

同济大学，２００７．

（责任编辑

文

楫）

修改稿收到日期为２００７年４月４日。

虚拟激励法及其在汽车随机振动应用中的探讨!

李

杰１秦玉英１赵旗１张伟２

（１．吉林大学

汽车动态模拟国家重点实验室；２．上海泛亚汽车技术中心有限公司）

【摘要】论述了虚拟激励法，为探讨其应用于汽车随机振动的可行性，构造了虚拟路面激励。

以１／４汽车单自由度振动系统为对象，由虚拟激励法推导出系统和振动响应量的频率响应特性，提出了求取系统振动响应量功率谱密度的新方法，给出了应用虚拟激励法求解汽车随机振动的计算实例。

结果表明，虚拟激励法是比傅里叶分析方法更为简便的时频研究方法。

主题词：

汽车随机振动平顺性虚拟激励法

中图分类号：

Ｕ４６２文献标识码：

Ａ

文章编号：

１０００－３７０３（２００７）０７－００２４－０４

ＶｉｔｕａｌＥｘｃｉｔａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄａｎｄＩｔｓＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｔｏＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＲａｎｄｏｍＶｉｂｒａｔｉｏｎ

ＬｉＪｉｅ１，ＱｉｎＹｕｙｉｎｇ１，ＺｈａｏＱｉ１，ＺｈａｎｇＷｅｉ２

（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＤｙｎａｍｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ；

２．ＰａｎＡｓｉａＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｓｈａｎｇｈａｉ）

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｓｖｉｔｕａｌｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｓｖｉｔｕａｌｒｏａｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｆｏｒｄｉｓｃｕｓｓｉｎｇｔｈｅｆｅａ－

ｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｐｐｌｉｅｄｔｏａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｒａｎｄｏｍｖｉｂｒａｔｉｏｎ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｏｎｅｑｕａｒｔｅｒｆｒｅｅｄｏｍｍｏｄｅｌｏｆａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ－ｒｅｓｐｏｎｓｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｙｓｔｅｍｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｓａｒｅｄｅｄｕｃｅｄｂａｓｅｄｏｎｖｉｔｕａｌｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｆｏｒｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｐｏｗｅｒｓｐｅｃｔｒｕｍｄｅｎｓｉｔｙｏｆｓｙｓｔｅｍｖｉｂｒａｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｓ，ａｎｄａｎｅｘａｍｐｌｅｉｓｇｉｖｅｎｆｏｒａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｒａｎｄｏｍｖｉｂｒａｔｉｏｎ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｖｉｔｕａｌｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｉｓａｍｏｒｅｓｉｍｐｌｅｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄｉｎｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈＦｏｕｒｉｅｒａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：

Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ，Ｒａｎｄｏｍｖｉｂｒａｔｉｏｎ，Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｒｉｄｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，Ｖｉｔｕａｌｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ

２４——