重庆大学硕士学位论文
（专业学位）
学生姓名：蔡 *
指导教师：于 今 副教授 兼职导师：肖 攀 高 工
学位类别：工程硕士（车辆工程领域）
重庆大学汽车协同创新中心
二O一五年五月
The development of automotive fatigue life test technique based on the real road load
spectrum
A Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for
Professional Degree
By Cai Chuan
Supervised by Assistant Prof.Yu Jin
Pluralistic Supervised by Senior Eng.Xiao Pan Specialty：ME( Vehicle Engineering Field)
Automotive Collabarative Innovation Center of Chongqing University , Chongqing, China
May 2015
中文摘要
摘 要
随着人们生活水平的提高，人们对汽车的需求量也越来越大。与此同时，人们对汽车的品质、性能、外形等各方面提出了更严苛的要求。对于大多数人来说汽车的使用年限是其关注的重中之重。这也是各大汽车厂商展示自己产品品质的关键。汽车的疲劳耐久性设计不仅对汽车的使用寿命有积极的意义，同时也对汽车的安全可靠性有重大的意义。它是汽车行业所面对的重大课题之一。因而，各大汽车公司和科研院所积极展开了对汽车结构的疲劳耐久寿命的研究。通常评估其疲劳寿命采用的方法大致有三种方法：实车道路试验、台架试验以及计算虚拟疲劳试验。
实车道路试验通过在强化路面上连续行驶来验证整车及其零部件的疲劳寿命，它在车辆开发阶段有着重要意义。但其试验周期长，效率相对较低且需要投入大量的人力和物力资源，这极大的影响了前期的开发进度。通过试验场采集到车辆关键点的时域载荷信号，再将该信号处理后用于台架试验或计算机虚拟试验中，可以极大的缩短汽车零部件疲劳寿命的开发周期，带来了巨大的经济效益。
道路载荷谱对于车辆零部件疲劳耐久试验的研究有着重要的意义，而获取准确的道路载荷谱是进行疲劳耐久试验、疲劳寿命预估和整车疲劳设计的先决条件。本文以整车道路载荷谱采集试验为基础展开对汽车零部件多轴疲劳寿命开发的研究。本文以某乘用车作为研究对象，主要成果包括以下几点：
① 经过论证分析选取合理的位置布置传感器，再通过试车场路谱采集试验获取第一手的道路载荷谱数据资料。通过对多种传感器进行合理配置，在保持采集数据准确性的同时保证了采集效率。在此过程中建立起了完整的实验流程，获得了准确的整车道路试验振动信息。
② 为了满足后续疲劳耐久试验的需要，需要对已经采集的道路载荷谱数据进行处理。首先对整车道路载荷谱采用预处理法来进行初步调整，使信号在整体上保持完整的同时消除明显的故障信息。这包括对载荷谱进行编辑以剔除毛剌信号、纠正漂移、过滤杂波信号等。
③ 通过载荷谱的载荷循环的统计结果以及损伤分布分析,来作为载荷谱加速编辑的根据。确定载荷谱编辑的原则，使经过编辑的载荷谱能过直接作为后续台架疲劳试验和计算机虚拟试验的输入，即满足疲劳耐久性能开发载荷迭代的要求。
④ 证明计算机虚拟试验的结果与道路试验结果的一致性，完成载荷分解。在此基础上，针对该乘用车的底盘件进行耐久分析和优化。
关键词：疲劳寿命，载荷迭代，载荷分解，疲劳仿真，试验优化
I
重庆大学硕士学位论文
II
英文摘要
ABSTRACTS
As the people’s living standard raising, the people’s demand for cars is becoming hiher and higher.At the same time, the people pay more attention on the quality, performance, appearance of the automobiles.How long a car can be used is a very imorptand parameter for most people.And it is also a key to show their product quality for automobile manufacturer.Car fatigue durability design not only has positive significance to the service life of the car, but also is of great significance for the safety and reliability of the car.It is one of the major issues that automobile industry is facing.Thus,the major car companies and research institutes launched the study of automobile structure fatigue life actively.Usually to evaluate the fatigue life there are three ways: real vehicle road test, bench test and Computer Simulation fatigue test.
Real vehicle road test on reinforced pavement to test the fatigue life of the vehicle and its parts has important significance in vehicle development.But the test time is long and the efficiency is relatively low .So it needs the automobile manufacturer to spend a lot of manpower and material resources.Besides it has great influences on the early development progress.By collecting vehicle load domain signals in proving ground,and then using the signal in the virtual test bench test or a computer can greatly shorten the development time of fatigue life for cars,which brings huge economic benefits.
Road load spectrum has an important meaning for vehicle fatigue test. Obtaining the accurate road load spectrum is the prerequisite for the fatigue test, the fatigue life prediction and fatigue design for vehicle.In this paper, the auto parts development of multiaxial fatigue life is based on the vehicle road load spectrum test. This paper takes a passenger car as the research object, the main achievements include the followings:
① We select the reasonable arrangement for sensors’ location through demonstration analysis, and then we obtain first-hand road load spectrum through proving ground road spectrum data acquisition test .With a variety of sensors for rational allocation, we can maintain the accuracy of the collected data while ensuring the collection efficiency.In this process, we have set up the complete experimental process and obtained accurate information about the vehicle road test of vibration .
② In order to meet the needs of subsequent fatigue durability test, we need to have the road load spectrum.First of all,we use the vehicle road load spectrum pretreatment method for initial adjustment, which can guarantee us get intact signal while eliminating
III
重庆大学硕士学位论文
obvious fault information.The pretreatment includes editing the road load spectrum to eliminate signal noise, correcting drift, filtering clutter signal, etc.
③ We can accelerate the editor of the road load spectrum through the statistical results of road load spectrum and the analysis of the damage distribution.Determine how to edit the road load spectrum and make the edited fatigue test load spectrum can be directly used as test bench and computer virtual test input, which can meet the requirements of fatigue load performance development iteration.
④ In this paper,we’ll prove that the results of computer virtual test and road test results consistency, then we’ll finish the load decomposition and calculate the fatigue life. On this basis, we can take durability analysis and optimization for chassis parts of the passenger car.
Key words: The fatigue life;Load iteration; Load decomposition ;Fatigue
simulation;Test optimization
IV
目 录
目 录
中文摘要 .......................................................................................................................................... I 英文摘要 ....................................................................................................................................... III 1 绪 论 ...................................................................................................................................... 1
1.1论文研究的背景及意义 ........................................................................................................... 1 1.2 疲劳耐久试验研究国内外研究历史和现状........................................................................... 2 1.2.1金属结构疲劳国内外研究历史和现状 ............................................................................ 2 1.2.2汽车结构疲劳国内外研究历史和现状 ............................................................................ 3 1.3 本文主要研究内容 .................................................................................................................. 5
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法 ...................................................................... 7
2.1疲劳损伤理论 ........................................................................................................................... 7 2.1.1疲劳损伤机理 .................................................................................................................... 7 2.1.2线性累积损伤理论 ............................................................................................................ 9 2.1.3非线性累积损伤理论 ...................................................................................................... 11 2.2循环计数法 ............................................................................................................................. 12 2.2.1 单参数循环计数法 ......................................................................................................... 13 2.2.2 二参数循环计数法 ......................................................................................................... 16 2.3基于应力应变的疲劳分析和设计理论.................................................................................. 17 2.3.1 应力循环 ......................................................................................................................... 17 2.3.2 应力—寿命和疲劳极限试验 ......................................................................................... 19 2.4本章小结 ................................................................................................................................. 20
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计 ......................................................................... 21
3.1道路载荷谱采集硬件设备 ..................................................................................................... 21 3.1.1 数据采集设备 ................................................................................................................. 21 3.1.2 传感器的种类与功能 ..................................................................................................... 25 3.2道路载荷谱采集试验的软件系统.......................................................................................... 33 3.2.1 道路载荷谱采集软件 ..................................................................................................... 33 3.2.2 道路载荷谱分析处理软件 ............................................................................................. 38 3.3本章小结 ................................................................................................................................. 41
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析 .................................................................... 43
4.1载荷谱采集试验路面与工况 ................................................................................................. 43 4.1.1典型路面类型 .................................................................................................................. 44
V
重庆大学硕士学位论文
4.2整车道路载荷谱采集过程 ..................................................................................................... 45 4.2.1确定传感器的布置方案 .................................................................................................. 45 4.2.2载荷谱试验场采集 .......................................................................................................... 50 4.3对载荷谱信号的分析与后处理 ............................................................................................. 51 4.3.1 道路载荷谱信号的检查与修正 ..................................................................................... 51 4.3.2 道路载荷谱信号的分析与筛选 ..................................................................................... 57 4.4本章小结 ................................................................................................................................. 61
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化............................................... 63
5.1建立汽车多体动力学模型 ..................................................................................................... 63 5.1.1 系统检查与调整 ........................................................................................................... 63 5.1.2 多体模型的参数设置 ..................................................................................................... 67 5.2载荷分解 ................................................................................................................................. 69 5.2.1 虚拟迭代 ....................................................................................................................... 69 5.2.2载荷提取 .......................................................................................................................... 75 5.3 底盘部件疲劳分析 ................................................................................................................ 79 5.4本章小结 ................................................................................................................................. 85
6 总结与展望 ......................................................................................................................... 87
6.1全文总结 ................................................................................................................................. 87 6.2工作展望 ................................................................................................................................. 88
致 谢 ...................................................................................................................................... 参考文献 ...................................................................................................................................... 91
VI
1 绪 论
1 绪 论
1.1论文研究的背景及意义
汽车的疲劳寿命是汽车品质好坏的重要标志，它很大程度上决定了汽车的使用时限。通常采用实车道路试验、室内台架试验和CAE技术三种方法来预测评估其汽车整车及其零部件的疲劳寿命。目前三种试验技术中实车道路试验的结果更为接近真实疲劳结果，但其试验周期长且试验成本高；然而CAE技术受制于疲劳理论的缺陷以及输入信号质量的影响，其预测精度还比较低，在工程应用中还有诸多。
我国汽车产业正在不断地转型升级，汽车产品开发逐渐由学习模仿向自主研发过渡。在市场竞争白热化的形势下,这要求各汽车厂商的新车型上市速度不断加快。通常来说,在新车型的研发过程中,需要同时用到实车道路试验、室内台架试验和CAE技术三种方法。目前，国内大多汽车生产厂商的汽车结构疲劳寿命评估还主要依赖于汽车试验场内的实车道路试验。这导致自主品牌汽车产品的研发周期较长、研发成本高。同时，也影响了自主品牌汽车的竞争力。但是, CAE分析和台架试验需要有准确的载荷谱数据输入。否则，这两种方法都不能准确预测出实车道路试验中所出现的问题。然而，实车道路试验整个试验周期长，受各种状况的影响较大，一旦出现问题,很可能会影响整个新车开发项目的进度。所以,如何快速预测汽车疲劳耐久问题,保证疲劳耐久试验高效快速进行,是各大汽车企业所面临的重点难点问题之一。
为了很好的解决以上问题，各整车生产研发企业已经逐步在试验场实车道路试验的基础上建立了相关道路载荷谱的采集能力。其旨在为室内疲劳耐久台架迭代试验以及CAE虚拟迭代疲劳分析提供更为准确的载荷数据输入。通常,室内疲劳耐久性试验的载荷输入时间历程分为三大类,即等幅载荷、随机载荷和程序块载荷。其中最接近实际工况的是随机载荷谱加载,但是其对设备要求高，加载周期较长,没有办法很好的适应项目开发时间进度要求。虽然等幅加载相对于随机载荷精度较低,但是其试验效率高,可以快速对设计方案进行验证。程序块载荷兼顾了效率和精度总体上介于随机载荷和等幅载荷加载之间[1]。
本文在CAE与试验联合开发的研究成果的基础上对载荷采集等试验工作开展深入研究以提高后续试验和CAE分析的精度。利用此方法在汽车产品研发中，能够快速而准确实现汽车结构的疲劳寿命预测，指导结构的疲劳性能提升，从而减少实车试验次数，缩短汽车产品研发周期和降低研发费用，具有重要的理论和工程应用价值。针对道路试验，室内台架试验以及CAE疲劳仿真三种方法各自的优
1
重庆大学硕士学位论文
劣特点进行研究比较，最终得到一个优化的综合试验方案。该方案旨在提高试验精度和效率，节省时间和成本。
1.2 疲劳耐久试验研究国内外研究历史和现状
1.2.1金属结构疲劳国内外研究历史和现状
对金属结构疲劳破坏的研究不仅广泛运用于汽车行业，它也十分广泛地存在于其他行业中。它最早起源于铁路行业，后来逐步扩展到整个交通运输业以及建筑工程等各个行业。
国内外交通运输行业都对机械零件的疲劳破坏十分重视。各个相关生产企业和研究单位对飞机、汽车、火车等交通运输工具的整体结构及附属零部件进行了广泛的测试。测试主要是通过空中飞行试验和道路试验获取在真实工况下的载荷谱数据。然后通过数据分析和强化试验等手段形成技术规范用于指导疲劳耐久开发工程实践。通过他们的不懈努力，积累了丰富的工程经验和研究成果。其中日本机械工程协会、美国材料试验协会等制定了详细疲劳试验方法规范，用于指导金属零部件的疲劳性能开发中[2][3]。其发展历程大致如下：
① 1839 年，法国巴黎大学的J.U.Poncelct 教授在讲课中首次使用了“金属疲劳”的概念。
② 1850 年，德国铁路工程师奥格斯特·维勒（Auguet WÖhler）了发明等幅疲劳试验机用来试验铁路车轮轴[4]。又于1852-1870年之间，最先对疲劳破坏问题进行系统的研究，提出材料S-N疲劳曲线，至今该曲线在疲劳寿命分析中仍具有重要的地位[5]。
③ 18年， W.Fairbairn 通过对用锻铁制作的铆接梁进行试验得出结论：作用于锻铁梁的循环应力的最大值即便只有极限强度的三分之一，锻铁梁也会破坏
[6][7]
。随后H.Gerber 与 Goodman 则提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。
④ 1938年，德国结构耐久性及系统可靠性研究所（LBF）的加斯奈尔（Gassner）
发明了程序疲劳试验法，首次提出了一种标准八级程序疲劳试验谱[8]。
⑤ 1963年，美国材料试验协会（ASTM）出版发行《疲劳试验和疲劳数据的统计分析指南》，归纳和总结了疲劳试验的统计方法[9]。
⑥ 1980年，E.B.Haugen 提出了一整套基于干涉模型的疲劳强度可靠性设计方法，并在工程上得到了广泛的应用。随后他出版了比较全面的概率疲劳设计专著
[10]
。
我国虽然在金属疲劳耐久领域的研究起步较晚，但也进行了大量有价值的研
究工作。各大高校和科研院所积极参与，取得了一些列的成果，推动了我国疲劳
2
1 绪 论
耐久工程技术的发展。
① 北京航空航天大学的高镇同院士对航空航天飞行器的疲劳设计进行了长期的研究，他把经典疲劳损伤理论和统计学相结合，创建了疲劳统计学的分支学科.他率先提出了二维动态断裂干涉模型和二维动态应力-强度干涉模型，建立起了飞机结构可靠性寿命评定专家系统[11]。
② 熊峻江教授在利用P-S-N曲线对结构进行疲劳耐久性设计中，提出了 “等损伤设计”理论[12]。他还归纳出了 “置信度-可靠度-应变-寿命曲线”公式，由此公式计算得到的疲劳寿命与实验结果吻合较好[13]。
③ 中国工程物理研究院的李超，利用强度理论、随机振动理论以及Miner线性累积损伤模型，获得了基于功率谱密度（PSD)的窄带随机振动下构件疲劳寿命估算公式[14]。
1.2.2汽车结构疲劳国内外研究历史和现状
汽车而结构的疲劳耐久研究是与金属结构疲劳破坏的研究是一脉相承的。汽车的疲劳寿命的长短直接影响着用户对汽车产品的满意程度，是汽车产品品质的标志。各汽车厂商投入了大量的人力物力来检验汽车产品的疲劳寿命情况。为此，汽车生产厂商和研究机构对汽车结构疲劳破坏的理论进行了大量的研究，并将理论成果应用于工程实践。这对改进汽车品质，提升汽车品牌形象有积极的帮助。一般工程上通过采用实车进行疲劳性能试验验证疲劳寿命，现在正在大力发展采用计算机辅助技术来预测汽车的疲劳寿命的技术。对于汽车疲劳性能的实车试验而言，一般可分为三种类型：即汽车的实车道路试验、汽车室内台架试验和CAE疲劳分析。
汽车疲劳性能试验场试验是目前最主要的汽车疲劳性能验证手段，我国设有海南汽车试验场、定远汽车试验场、北京通县试验场、广德试验场以及重庆西部汽车试验场等 [15]。汽车疲劳性能试验场试验通常需要花费几个月的时间，验证效率高于公共道路试验。但随着新车型上市需求越来越加快，市场竞争越发激烈的现实情况下，采用该方法进行实车道路试验仍存在试验周期过长、成本过高的问题。
在CAE技术还不是很成熟的时代，室内台架试验无疑是与实车道路试验的最佳互补方法。室内试验台架试验是利用机械设备来重现路试车辆在道路试验中的振动情况。然后通过对道路载荷谱进行后处理，删除掉不影响对车辆损伤或者影响较小的实车载荷谱信号。从而缩短疲劳耐久验证试验时间，实现室内台架试验得到的结果等效于实车道路试验结果 [16]。室内台架试验是汽车试验场试验的有效补充。通过它可以准确、快速地实现汽车的疲劳耐久性能的验证。目前，室内台架试验已经成为汽车疲劳耐久性能试验验证的比较主流的手段了。
3
重庆大学硕士学位论文
室内试验台架最早是由福特汽车的Willian J.Sidelko提出来的，他使用了液压元件来对车架加载来完成疲劳试验。随后，Dodds和Style发展有关道路模拟试验方面理论[17]。在20世纪70年代，许多设备公司推出各自的道路模拟试验系统。其中以MTS和Schenck公司就推出的设备最为著名。目前这些设备可以很好地完成整车道路模拟试验[18]和零部件道路模拟试验[19]。因而被广泛运用于国内外各大汽车厂中。
随着计算机性能的大幅提升以及CAE商用软件的发展，CAE技术也越来越广泛运于汽车的疲劳耐久性能的开发过程。CAE技术能够快速验证汽车疲劳耐久性能，因而可以缩短汽车开发周期，降低车型开发的费用。因而对CAE如何使用在汽车的疲劳耐久性能的开发过程中进行研究具有十分重要的意义和价值。1995年，Peter J.Heyes等提出了采用有限元计算结果来预测零件的疲劳寿命[20]。
CAE商用软件的发展也极大地推动了疲劳耐久试验的发展。随着商业疲劳分析软件的推出，世界各汽车厂纷纷将其应用于汽车疲劳性能预测和开发中，这极大的促进汽车耐久性能提升。这些商业软件包括美国MSC.Software公司推出的疲劳寿命分析软件MSC.FATIGUE、英国nCode[21]公司开发的疲劳寿命分析商业软件Glyworks以及比利时LMS[22]公司推出的疲劳分析软件TecWare和道路谱数据处理软件FALANCS。
国内的各大高校和研究机构也在汽车疲劳耐久性能方面积极进行探索，在许多方面已经取得突破性进展。
① 北京航空航天大学的孙凌玉等通过加载随机激励的方式建立了车身结构的疲劳寿命预测方法[23]。
② 同济大学的陈栋华，使用了基于六分力传感器获取的汽车轮心处的六分力载荷谱信号。通过CAE软件来进行虚拟疲劳耐久性能验证试验，最后得到的结果与实车道路试验结果十分相符[24]。
③ 唐应石等通过CAE仿真获得了在典型载荷工况下某后车桥的疲劳寿命，并由此结果为基础对桥壳开裂问题进行了优化[25]，
④ 南京理工大学的王显会研究了特种车架在冲击载荷下的疲劳寿命，并在研究中使用了名义应力法[26]
⑤ Liping Huang等通过研究提出了使用CAE技术来预测汽车车身结构的疲劳寿命[27]，
⑥ 北克航空航天大学的刘献栋进行了汽车下摆臂的疲劳寿命的研究。他以汽车下摆臂的应变载荷谱为基础，采用了准静态分析法和名义应力分析法[28]
⑦ 重庆大学的朱才朝等通过试验研究获得了摩托车车架系统在典型工况下的疲劳寿命预测[29]，
4
1 绪 论
⑧ 上海交通大学的朱平教授通过理论分析，利用简化的轮胎和悬架数学模型计算求解得到了试验车身的载荷时间历程，然后利用该载荷时间历程对车身进行疲劳耐久分析[30]
⑨ 贺李平等利用计算机仿真技术获得了在典型工况下试验车的汽车悬架弹簧下座的疲劳耐久寿命，并以此为依据对其开裂问题进行优化使其满足设计要求
[31]
。
1.3 本文主要研究内容
本文围绕着车辆疲劳耐久性的CAE分析、道路模拟试验验证、结构抗疲劳优化三个领域重点对载荷谱采集及其后处理进行深入的研究,掌握其关键技术,建立了车辆疲劳耐久性问题的一体化解决方案,为车辆企业的产品研发提供有力的指导和技术支持。本文的研究内容包括以下儿个方面:
① 选取合理的位置布置传感器，以期获得准确的路试振动信息。对多种传感器进行合理配置，在保持采集数据准确性的同时提高采集效率。
② 采用预处理和加速编辑方法对整车道路载荷谱进行处理。釆用预处理技术,对载荷谱进行毛剌信号剔除、漂移纠正、傅立叶滤波等。
③ 通过载荷谱的载荷循环频数、损伤分布分析,确定载荷谱加速编辑的根据,并提出载荷谱编辑的原则。进行载荷迭代。
④ 完成载荷分解，计算疲劳寿命并对疲劳风险点进行优化。 设计试验流程如下： 确定采集 方案
① 通过前期的CAE分析和市场反馈的信息确定道路试验数据采集方案； ② 根据采集方案进行道路试验得到相关数据后，进行数据后处理； ③ 将处理后的数据在CAE疲劳分析软件中进行虚拟迭代； ④ 最后用计算机进行疲劳耐久分析。
本文的主要内容和创新点包括：
① 提出基于真实路谱重现的综合试验方法。采用道路试验，台架试验和计算机辅助技术进行汽车实车试验的三者融合优化的方法，提高汽车疲劳耐久试验的效率和精度。
5
数据采集 数据后处理 虚拟迭代 疲劳耐久分析 重庆大学硕士学位论文
② 同步采集整车系统和部件载荷谱，数据全面
③ 综合利用真实路谱进行疲劳耐久分析，提高了分析的可靠性。 本文拟解决的关键性问题： ① 采集方案的确定和信号的选择
② 数据处理及组合，保障虚拟迭代和疲劳寿命计算的精度 ③ 提出道路试验和计算机辅助技术相互融合的试验方案 ④ 提高计算机辅助技术在试验中的作用 ⑤ 提高试验的效率和置信度
6
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
在金属疲劳理论研究方面，目前通常认为疲劳破坏分为低周疲劳破坏和高周疲劳破坏两种形式[32]。当金属材料处在弹性变形范围之内时，弹性应力应变对材料疲劳破坏起主导作用，在此阶段的对应材料的应力-寿命曲线（即S-N曲线）。而当材料同时存在弹性变形塑性变形时，塑性应变对材料疲劳破坏起主导作用，在此阶段对应材料应变-寿命曲线（即e-N曲线）。再在此基础上，考虑零件的平均应力幅、表面粗糙度、零件的尺寸、加载方式以及切口效应等因素的影响，这就形成了疲劳破坏理论[33]。
疲劳损伤理论可归结为两个大类：线性损伤理论和非线性损伤理论。其中线性损失理论主要是Miner准则[34]、修正Miner法则及相对Miner法则，非线性损伤累积理论主要有Manson双线性累积理论[35]、Corten-Dolan理论等。其中，Miner准则最为简单和应用最为广泛的预测汽车疲劳寿命的疲劳损伤累积理论。
疲劳损伤理论工作载荷、应力及其测量基本知识是进行汽车疲劳耐久试验的的基础。应用该理论可以对疲劳损伤进行量化计算。工作载荷对疲劳分析结果有着明显的影响，因此必须对实时工作载荷进行精确的测量。根据使用寿命范围内给定应力水平的循环次数和使用环境来进行疲劳寿命预测。探讨零部件在交变载荷作用下的实际疲劳机理、疲劳损伤模型、假设和常用损伤规则的实际应用。研究裂纹萌生和扩展直至最后断裂的关系。还有用于缩减复杂加载时间历程的各种循环计数方法，可将真实载荷简化为可以和疲劳损伤相关联的一系列单纯的恒幅载荷。
2.1疲劳损伤理论
预测承受变载荷结构件的疲劳损伤是一个复杂的课题。首先，最简单和应用最广泛的损伤模型是线性损伤。此准则通常是指迈因纳（Miner）准则[36]。但是，在许多情况下，应用线性准则经常会得出偏于冒险的寿命预测。这种方法取得结果没有考虑载荷谱循环疲劳载荷造成的累积损伤的影响。自引入线性损伤准则以来，为提高疲劳寿命预测精度，提出了许多不同的疲劳损伤理论。
2.1.1疲劳损伤机理
疲劳是零件由于循环载荷引起的局部损伤的过程。这是一个由包括零件裂纹萌生、扩展和最终断裂等组成的累积过程所导致产生的综合结果[37]。在循环加载期间，在最高应力区域发生局部塑性变形。这种塑性变形引起零件的永久损伤和裂纹扩展。随着零件所承受的加载循环次数不断增加，裂纹长度（损伤）随之增
7
重庆大学硕士学位论文
加。在达到一定循环次数之后，裂纹将导致零件失效（断裂）。
通常，疲劳过程可以观察到以下几个阶段：①裂纹成核；②微观裂纹扩展；③宏观裂纹扩展；④最终断裂。由图2.1所示的疲劳损伤过程可以看出，裂纹成核始于稳定滑动带中最高应力集中区域。
图2.1 显微结构下原子滑移 Fig2.1 Microstructure of atomic slip
疲劳过程的第二步是裂纹扩展阶段，分第一和第二两个裂纹扩展阶段如图2.2所示。通常认为，在第一阶段，裂纹成核和扩展是初始微观裂纹在局部最大剪切应力面上沿着大约几个晶粒的有限长度扩展。在此阶段，裂纹尖端塑性受到尖端特性、晶粒大小、方位和应力水平的极大影响，因为裂纹的大小是与材料的显微结构等量齐观的。第二阶段裂纹扩展是指宏观裂纹扩展，通常主要在主拉应力法向扩展，部分沿着最大剪切应力方向扩展。与第一阶段裂纹相比，这一阶段的宏观裂纹特性受显微结构特性的影响小。这是因为第二阶段裂纹的裂纹尖端塑性区域要远大于材料的显微结构。
图2.2疲劳阶段 Fig2.2 the stage of fatigue
8
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
在工程应用中，通常将零件的裂纹成核和微观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹萌生阶段，而将零件在宏观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹扩展阶段。通常，对从萌生到扩展的过渡阶段无法做出精确的定义。但对于钢材而言，在萌生阶段结束时裂纹尺寸a0.大约为钢材的几个晶粒大小。此裂纹尺寸的范围通常为0.1nm~1.0nm。利用道林（Dowling）1998年提出的光滑试样弹性断裂力学[38],可以估算裂纹萌生尺寸：
（2.1）
或者为切口试验切口尖端半径的0.1倍到0.2倍，或者为彼得森（Peterson）钢材经验材料常数的2倍[39]:
(2.2)
式中：Su为材料的极限抗拉强度；临界强度因子范围。
钢制零件的裂纹萌生阶段一般占其疲劳寿命的大部分，特别是在高周疲劳状态下(大约＞10000次循环)。在低周疲劳状态下（大约＜10000次循环），疲劳寿命大部分时间消费在裂纹扩展。
疲劳累积损伤理论主要用于金属在变载荷幅值下的安全疲劳寿命的估算和疲劳分析。目前，疲劳损伤理论大致主要可以归纳为两大类种：线损伤理论和非线性损伤理论。
为疲劳极限应力范围；
为R=-1时的
2.1.2线性累积损伤理论
线性累积损伤理论就是指在交变载荷作用下，无论应力水平如何，疲劳损伤以线性累加，即疲劳损伤与循环比之间都有唯一的线性关系。按照此理论疲劳累加到某一极限数值时，零件便发生疲劳破坏。该理论比较典型的主要有 Miner法则、修正Miner法则和相对Miner法则。
1945年，道格拉斯飞机公司（Douglas Aircraft）的迈因纳（Miner）将线性损伤准则应用于飞机蒙皮材料的拉伸—压缩轴向疲劳试验数据（24S – T ALCLAD铝合金）[36].迈因纳证实，根据线性损伤准则预测的结果与他的实验结果之间具有非常好的一致性。这次成功的验证，将迈因纳的名字与线性损伤准则紧密联系在一起，线性损伤准则通常是指迈因纳的线性损伤准则。也可称作Palmgren-Miner 线性累积损伤法则。
Palmgren-Miner疲劳累积损伤法则是假设损伤从重复交变载荷作用开始，就一点点地积累起来，直到最后破坏。如果将以Ni,f 循环次数为横坐标的损伤曲线线性化，如图 2.3所示。通过将损伤曲线简化为以ni/Ni,f为横坐标的单条直线，就可以导出线性损伤准则如图2.4所示。
9
重庆大学硕士学位论文
图2.3 线性理论循环次数Nf
Fig2.3 cycles under the linear theory (Nf)
zkq 20151222
图2.4线性理论循环比n/Nf
Fig2.4 the percentage of cycles under the linear theory n/Nf)
用数学的方法来表示，线性损伤准则可以表示如下：
（2.3）
当满足以下条件时，就可以预计发生失效：
（2.4）
以上就是Miner法则。当D=1时，零件所吸收的功到达W极限值，零件就发生疲劳破坏。当D为其它常数，则为修正Miner法则。由于Miner法形式简单，并且在不少情况下与实验结果有相当程度的符合，所以是目前最为适用的疲劳寿命（到裂纹出现的疲劳）预测方法。然而，在许多情况下计算结果与实际情况有较大的差距。这是由于Miner法则是将损伤以线性方式进行累积造成的。在应用
10
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
Miner线性损伤理论预测疲劳寿命时，需要知道S-N曲线及累积频次分布（载荷谱），也可以利用平均应力图。
2.1.3非线性累积损伤理论
Miner的线性损伤理论忽略了应力作用顺序的影响，并认为在疲劳极限以下的应力不产生损伤。这使得Miner理论有其局限性，后面就产生了各种非线性累积损伤理论，对疲劳损伤的相关因素的考虑更加充分。
当累积损伤之和 D 达到损伤临界值时，零件就会发生疲劳破坏。而随着的疲劳累积损伤理论的发展，总损伤 D 累积的方式不同，其理论也各有不同，除线性损伤理论外还有双线性疲劳损伤理论、非线性疲劳损伤理论及其他疲劳损伤理论
[40]
。
非线性累积损伤理论，代表理论有损伤曲线法和Carten-Dolan理论，此理论
认为疲劳损伤不是线性，并考虑了材料、应力水平及循环数的比例之间的相互影响。非线性模型的理论性很强，但实际工程应用较为繁琐。Macro-Starke提出的非线性累积损伤可表示为：
（2.5）
式中，指数p为0到1的常数，由试验确定。当 p = 1时，即为Miner法则。该理论可以较好地与疲劳试验结果关联，尤其是在对蠕变疲劳损伤的计算时十分
zkq 20151222准确。然而，需要指出的是指数p的确定需要做大量的试验才能得到比较准确的值。这使得该理论模型在工程上与形式简单的Miner法相比显得很繁琐。
双线性累积损伤理论由曼森和哈尔福德提出。他们把疲劳过程分为两个阶段：裂纹成形与裂纹扩展阶段。然后把这两个阶段的疲劳循环次数分开，分别运用线性累积损伤理论。由此，建立了双线性疲劳累积损伤理论。双线性模型给出了与损伤曲线累计准则等效的损伤模型，其基本形式如图：
图2.5双线性理论循环次数Nf
Fig2.5 cycles under the double-line linear damage theory(Nf)
11
重庆大学硕士学位论文
图2.6 双线性理论循环比n/Nf
Fig2.6 the percentage of cycles under the double-line linear damage theory(n/Nf)
值得注意的是双线性损伤准则中的拐点坐标是与材料无关的。因此，对所有材料而言拐点均相同，其位置取决于最大和最小寿命。双线性累积损伤其理论模型相对简单但两阶段分界点不易确定，也难于实际工程应用。
除了上述理论外，还有一些从实验中得到的经验和半经验公式，如Valluri理论、Fuller理论等。这些理论大多都只是出于研究阶段。相信随着疲劳损伤理论的发展，疲劳损伤模型会越来越完善。
zkq 201512222.2循环计数法
由疲劳损伤理论可知，疲劳损伤与循环比𝑛𝑖∕𝑁𝑖,f密切相关。其中，𝑛𝑖和𝑁𝑖,f分别为在给定应力或应变幅和平均应力时，零件所经受的应力或应变循环次数和寿命。根据恒幅加载试验所得到的基准疲劳数据，可以获得疲劳寿命𝑁𝑖,f。用于描绘基准疲劳数据特征的常用方法有三种：应力—寿命（S—N）法、应变—寿命（ε—N）法和线弹性断裂力学（LEFM）。这些方法都是以疲劳寿命与加载循环之间的关系为基础的。
在典型结构件的使用寿命期间，零件受到周期性载荷的作用。其载荷有可能是恒幅的，也有可能是随时间变化的。对于恒幅载荷，无论是否采用平均补偿加载，一个循环的振幅和零件所经历的循环次数都可以直接确定。然而，如果加载振幅是随着时间变化的，那么一个循环的构成及其相应振幅则难以确定。
根据力、扭矩、应力、应变、加速度或扰度等加载参数的时间历程，可以对循环进行计数。在时域内的一个完整应力循环，与局部应力—应变坐标内的闭合
12
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
迟滞后回线相关，由两次反向加载组成。反向加载可以被描述成为卸载或加载的过程。
通过循环计数的方法可以将复杂的变幅加载历程简化为一组离散的简单恒幅加载过程。下面将介绍几种循环计数法。
2.2.1 单参数循环计数法
单参数循环计数法，如幅度穿越、波峰—波谷和区间计数等方法，通常被用于从复杂的加载历程中提取循环数。
① 幅度穿越循环计数
采用这种计数方法，必须将载荷—时间历程中载荷的幅值分若干个水平。这个过程如图2.9。当具有正斜率的一段载荷—时间历程交叉穿过基准载荷以上的这个规定水平时，或具有负斜率的一段载荷—时间历程交叉穿过基准载荷以上的这个规定水平时，定义为一个规定水平的一次计数。基准载荷水平通常是由整个载荷—时间历程的平均值来确定。这种方法的一种变形是对所有正斜率的载荷—时间历程的水平交叉点进行计数。表2.1和表2.2示出了对图2.7）中的载荷—时间历程的水平交叉点进行计数的列表计数和循环次数计数结果。
zkq 20151222
图2.7 载荷—时间历程的水平交叉计数 Fig2.7 the time history of load - level crossing counting
13
重庆大学硕士学位论文
表2.1 幅度穿越计数的计数结果
Table2.1 counting results of passing amplitude
水平 12 10 8 6
计数 1 2 2 4
水平 4 2 0 -2
表2.2 幅度穿越计数提取的循环次数列表
Table2.2 the selected counting results of passing amplitude
区间 22 20
循环次数
1 1
区间
12 4
循环次数
2 1
计数 4 6 6 5
水平
-4 -6 -8 -10
计数 4 4 2 2
② 波峰—波谷循环计数
这种计数方法首先确定在一个载荷—时间历程中的波峰—波谷的累积数，随后根据所提取的波峰—波谷累计数，从最大到最小损伤事件构建可能的循环次数。zkq 20151222波峰是正斜率曲线转变为负斜率曲线的转变点，波谷是负斜率转变为正斜率曲线的转变点。对基准载荷水平以上的波峰和基准载荷以下的波谷进行计数。表2.3和表2.4对图2.9 载荷—时间历程最终波峰波谷计数次数和循环计数结果进行了汇总。
表2.3 波峰—波谷计数法计数结果
Table2.3 the results of peaks-troughs counting method
波峰/波谷
12 10 8 6
计数 1 1 2 2
波峰/波谷
-2 -4 -6 -10
计数 1 1 2 2
14
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
表2.4 波峰—波谷计数法计数的循环次数 Table2.3 the cycles of peaks-troughs counting method
区间 22 20 12 6 4
循环次数
1 1 2 1 1
③ 区间计数
这种计数方法将一次计数定义为一个区间，即一个连续的波峰和波谷之间高度。根据SAE疲劳设计手册[41],用符号法则确定区间。正区间和负区间分别根据正斜率变向和负斜率变向来定义。表2.5和表2.6对图2.9 载荷—时间历程最终波峰波谷计数次数和循环计数结果进行了汇总。
表2.5区间计数法的区间计数计数结果 Table2.5 count results of interval count method zkq 20151222区间 20 18 12
计数 1 1 2
区间 8 6 -8
计数 1 1 1
区间 -12 -14 -16
计数 1 1 2
表2.6根据区间计数的循环次数 Table2.6 cycles of interval count method
区间 20 18 16 14
循环次数 0.5 0.5 1 0.5
区间 12 8 6
循环次数 1.5 1 0.5
然而，这些方法不适合用于描述加载循环，也不能确定加载循环与局部应力—应变滞后性的相关性，这对疲劳失效具有极大的影响。因此，这些方法被认为是不适用于疲劳损伤分析的。
15
重庆大学硕士学位论文
2.2.2 二参数循环计数法
二参数循环计数法，如雨流计数法，能够如实再现变幅循环加载。道林（Dowling）1979年指出，雨流计数法通常被认为是预测疲劳寿命的较好方法[42]。这种方法可以识别在复杂载荷序列中与恒幅疲劳数据相似的事件。
1968年，松石（Matsuishi）和恩杜（Endo）最初推出的雨流计数法[43]是模拟雨滴落到塔顶和从塔顶边缘落下的过程。针对不同应用领域，由这种二参数循环计数法衍生许多新的方法，主要有：三点循环计数法（包括SEA标准[44]，美国材料试验协会（ASTM）标准（ASTM E1049）[45]、区间—配对法）、四点循环和计数法则[46]。
① 三点循环计数法
三点循环计数规则是：利用一段载荷 — 时间历程上的三个连续的点来确定是否构成一个循环。图3.5示出了在一段载荷—时间历程上，识别两个可能的闭合循环的规则，其中应力为载荷参数。三个连续的应力点（S1，S2，S3）定义了两个连续的区间ΔS1=| S1- S2| 和 ΔS2=| S2 - S3|。如果ΔS1 ≤ ΔS2提取一个循环，如果ΔS1 ＞ ΔS2则无循环计数。
ΔS1 ＞ ΔS2无循环 ΔS1 ≤ ΔS2循环:1~2 ΔS1 ≤ ΔS2循环:1~2
图2.8 三点计数法
Fig2.8 counting method based on three points
② 四点循环计数法
四点循环计数法与三点循环计数法相似，四点循环计数规则是，采用四个连续点提取一个循环。其原理如图3.9所示。在一个名义应力—时间历程和相应局部应力—应变响应中，对两个可能循环进行计数。该过程定义了两个可能的循环：一个为倒挂循环（a），另一个为标注循环（b）。四个连续应力点（S1，S2，S3，S4）定义内应力区间（ΔS1=| S2- S3|）和外应力区间（ΔS0=| S1- S4|）。如果内应力区间小
16
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
于或等于外应力区间（ΔS1 ≤ ΔS0），并且组成内应力区间的点受到外应力区间的约束，则从S2到S3提取内部循环，并丢掉两个内点，将两个外点（S1和S4）彼此相连。否则，无循环被计数，并且对后四个连续的应力点（S2，S3，S4，S5）进行相同的校验直至无剩余数据。
与三点雨流循环计数法不同，这种方法并不能保证所有的点都可以形成闭合循环。不能组成一个循环的其余数据点被称为余数。虽然有这个差异，三点雨流计数仍可以由四点计数导出，推导如下： 1) 根据四点计数法，提取循环次数和余数 2) 余数加倍，形成一组[余数+余数] 3) 对改组[余数+余数]应用相同的雨流法。 4) 在原来的循环次数中，加上新提取的循环次数。
2.3基于应力应变的疲劳分析和设计理论
自19世纪中叶以来，疲劳分析和设计的标准方法都是以应力为基础的。这种方法也被称为应力—寿命或S—N方法，与其它疲劳分析和设计方法的区别在于以下几点：
1) 循环应力是疲劳失效的控制参数；
2) 高周疲劳条件表现为：疲劳失效循环次数高； 3) 循环加载塑性变形小。
2.3.1 应力循环
疲劳试验期间，试样承受交变载荷的作用，直至发生疲劳失效。在试样上所施加的载荷，由恒定的应力范围（Sr）或恒定的应力幅（Sa）确定。应力范围被定义为一个循环中最大应力Smax和最小应力Smin之间的代数差：
Sr = Smax - Smin （2.6）
应力幅等于应力范围的一半：
（2.7）
通常，疲劳分析是：拉应力为正，压应力为负。应力范围或振动的量值为可控变量（自变量），而至疲劳失效的循环次数是相应变量（因变量）。至疲劳失效的循环次数为疲劳寿命（Nf）,并且每个循环有两次反向（2Nf）。前面所提到的应力和循环次数的符号如图4.1所示。
17
重庆大学硕士学位论文
图2.9 循环应力和循环次数的符号 Fig2.9 symbols of cyclic stress and cyclic number
通常，采用对称循环的交变加载方式进行S—N疲劳试验。对称循环表示以零平均应力进行交变加载。平均应力（Sm）被定义为：
（2.8）
当对试样进行应力—寿命试验时，由于这种类型的加载实际上不可能或不太可能实现，例外情况总是存在的。例如点焊试样的疲劳试验，由于压应力会使金属薄板产生局部隆起变形，在对单点焊试样进行疲劳试验时采用从零到拉伸变化的循环加载方式。实际构建通常承受具有一定平均应力水平的交变载荷。通常，用应力比（R）和幅值比（A）这两个参数来表示施加于一个物体上的平均应力。应力比被定义为最小应力与最大应力之比：
幅值比是应力幅与平均应力之比：
（2.10）
通常，采用应力—寿命法来得出对疲劳设计有用的数据。即在特定的疲劳寿命区间，采用不同的对称循环应力幅，分别对几个相同试样进行应力—寿命疲劳试验。疲劳试验数据通常绘制在半对数或双对数坐标上。图2.12中表示数据的单条曲线被称作S—N曲线或维勒（WÖhler）曲线。当采用双对数坐标绘制疲劳数据时，曲线就变成了直线。负斜率的曲线或直线部分被称作有限寿命区域，水平线被称作无限寿命区域。在S—N曲线上，将负斜率曲线和水平线的交点称作S—N曲线的拐点，表示疲劳极限或耐久性极限。
（2.9）
18
2 汽车疲劳耐久试验理论及技术方法
图2.10 S-N曲线 Fig2.10 S-N curve
根据S—N疲劳试验数据，绘制外加应力与疲劳寿命的双对数坐标曲线图时，y坐标表示应力幅或应力范围，x坐标表示疲劳反向次数或疲劳循环次数。在此疲劳寿命（循环次数或反向次数）指的是成核和微观裂纹扩展到可见裂纹长度所需寿命。
方程（2.12）表示典型的S—N曲线：
（2.12）
式中，b为疲劳强度指数；为强度系数。
在采用基于应力的方法开展疲劳分析和设计时，这个由双对数S—N曲线得出表达式是应用最为广泛的方程，被称作巴斯坎（Basquin）方程。此外，还有另外一些S—N曲线的表达式，诸如：
（2.13）
或者
（2.14）
或者
（2.15）
2.3.2 应力—寿命和疲劳极限试验
在1852年—1870年间，德国铁路工程师欧格斯特·维勒（August WÖhler）首次进行了系统性的疲劳研究。为纪念他对疲劳研究的贡献，将其进行的S—N疲劳试验称作经典维勒试验，即将一定平均应力的恒幅应力循环施加到试验试样上。
19
重庆大学硕士学位论文
由于疲劳试验数据不可避免地存在偏差，因此中值S—N疲劳寿命曲线不能充分满足疲劳分析和设计的需要，必须考虑疲劳试验的统计特性。
为了预测在不同应力幅和平均应力联合作用下的疲劳寿命，需要对S—N试验数据进行统计。由日本机械工程协会1981年、中泽和木灵（Nakazawa and Kodama）1987年、美国材料试验协会（ASTM）1998年、沈（Shen）1994年、维尔盛1983年和凯塞奥格鲁（Kececioglu）2003年提出的S—N试验方法[47]。被研究人员广泛用于S—N试验和疲劳寿命预测。
小样本量中值S—N试验法[48] 可以用作确定具有50%可靠度和最小样本容量的S—N曲线的准则。这种方法需要14个试样，8个试样用于确定有限疲劳寿命区域，6试样用于找出疲劳极限。在四种不同应力幅下，通过分别对两个试样进行试验，确定有限寿命区域曲线。假设有限寿命区域的数据在双对数坐标中是线性的，并且采用最小二乘法进行数据分析。疲劳极限是通过取阶梯试验中应力水平的平均值来确定的。
S—N统计曲线的生成准则在其它相关文献中有所介绍[49]。建议在每个应力水平下，对应1个以上的试样进行试验。在给定应力幅水平条件下，对1个以上的试样进行试验被称作重复数据试验。需要利用重复试验来估算疲劳寿命的变异和统计分布。所推荐的试验数量和重复试验的次数，取决于S—N曲线的预期目的。对于生成S—N曲线所需的试验数量，样本量为：对于初期试验和研发试验为6个~12个；对于设计许可试验和可靠性试验为12个~24个。
根据应力水平（L）和样本容量（ns）,重复百分比(PR)定义如下：
PR =100（1 - L/ ns） (2.19) 重复百分比的值表示，用于确定重复试验可变性评估的试样占全部试样总数的百分比。这些准则建议，不同试验的百分比为：初期和探索性试验为17~33；研发试验为33~50；设计许可试验为50~75；可靠性数据试验为75~88。
2.4本章小结
本章介绍了汽车疲劳耐久试验中需要利用的疲劳损伤理论来作为基础指导，进行试验方案的设计，传感器的布置以及评估采集到的应力应变等信号的准确性。然后再用循环计数方法来对载荷谱进行统计分析，从中抽取有用的信息以备在后续基于应力应变的疲劳分析和设计中使用。这样就将在整个疲劳耐久试验中需要用到的理论知识串联起来了。
20
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
汽车道路载荷谱的采集过程具体的说，就是需要将车辆安装传感器采集一定量的数据，对数据进行分析，并通过统计学的方法对车辆运行载荷进行分类。道路载荷谱的好坏，很大程度上受设备的和影响。因而，进行汽车道路载荷谱采集试验需要谨慎选择合适的信号采集设备、传感器以及供电设备。
3.1道路载荷谱采集硬件设备
3.1.1 数据采集设备
HBM.SOMAT.eDAQ 是德国HBM公司推出的坚固型移动数据采集系统，在同类数据采集前端产品中以强大、紧凑和轻便而备受青睐。eDAQ数采仪器是由多个功能板层组合而成的集成系统 。这些板层按功能来分大致可以可以分成EBRG、EHLS、ECOM等板层。eDAQ数采设备如图3.1：
图3.1 eDAQ数采设备 Fig3.1 eDAQ data acquisition equipment
EBRG低电平板层提供了16个的低电压（低于10V）模拟输入通道，它可以连接应变仪、加速度计、压力传感器以及其他输出普通模拟信号传感器。EBRG板层提供了优良的应变信号调理性能，支持1/4桥，半桥以及全桥等多种组桥方式的应变测量。它可以自动平衡增益设置，同时也可以实现采样频率的软调
21
重庆大学硕士学位论文
节和数字滤波，这很大程度上简化了应变通道的设置。EBRG板层的每个通道还提供了四个可供软件系统调用的分流标定电阻，这就可以满足在标定应变值时的需求。图3.2为EBRG低电平板层的外观图，图3.3为其电路模块图：
图3.2 EBRG低电平板层的外观图
Fig3.2 EBRG low electric flat layer independent appearance figure
图3.3 EBRG低电平板层电路模块图 Fig 3.3 EBRG low electric flat layer circuit module
EHLS高电平板层提供了16个的高电平差分模拟输入通道。EHLS板层的通道理论上能够输入任何的低于74.9V的模拟信号。EHLS板层能够接入热电偶、加速度、麦克风等传感器。图3.4为EHLS高电平板层的外观图，图3.5为其电路模块图：
22
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
图3.4 EHLS高电平板层的外观图
Fig3.4 EHLS high electric flat layer independent appearance figure
图3.5 EHLS高电平板层电路模块图 Fig3.5 EHLS high electric flat layer circuit module
ECOM板层全称是汽车网络通信板层，它提供了三个支持CAN通信协议的交互端口、一个车辆总线接口以及一个GPS设备接口。该板层的所有的接口都是标准的SOMAT M8母头。同时，ECOM板层内置了许多已经定义好的数据转换文件，如J1939 和 OBDII,这可以很方便地将数字信号转化为我们所需要的标准信息。图3.6为ECOM板层的外观图，图3.7为其电路模块图。
图3.6 ECOM板层的外观图
Fig 3.6 ECOM board layer independent appearance figure
23
重庆大学硕士学位论文
图3.7 ECOM板层的电路模块图 Fig3.7 circuit module chart of the ECOM plate layer
eDAQ 系统内部内置了现场处理系统（FCS，Field Computer System），通过网络连接，可以通过PC 对该处理系统进行访问。系统接入网络之后，可以通过TCE 软件、Infield、Catman 等软件或网络浏览器（如Internet Explorer）来访问系统。eDAQ提供两种网络连接方式：
① 利用SAC-ESR9/XO 电缆的RJ45 接头或RS232 接头与计算机直连，如图3.8 所示；
图3.8 eDAQ与计算机直连
Fig 3.8 eDAQ directly connected with the computer
24
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
② 利用SAC-ESYNC-ADAPT 电缆将1 台或多台eDAQ 接入计算机网络，通过任意一台同一网络内的计算机均可以对其进行访问。这种方式中，可以利用无线路由器很方便的实现系统的无限连接和远程访问，如图3.9 所示。
图3.9 eDAQ与计算机无线连接
Fig3.9 eDAQ wireless connection with the computer
eDAQ是高质量低成本的数据才接解决方案，它被广泛用于汽车、轨道交通、航空航天领域疲劳、噪声测试上的高速数据采集和信号测试中。
3.1.2 传感器的种类与功能
耐久性试验一般需要用到的传感器有：应变计、加速度传感器、GPS、无线扭矩传感器、压力传感器、温度传感器位移传感器以及六分力传感器等综合性测试传感器。下面主要介绍本文使用到的几种传感器的特性与使用方法。 ① 应变计
本文主要使用的是通用电阻应变计。它不仅使用在汽车工业的测试工作中，也能够满足航空航天、电力动力行业、土木建筑及水利工程行业、桥梁和道路工程及其他领域高精度应力分析的需求。选择应变计时应该注意以下几点： 1) 栅长是选择应变计的一个重要参数。应变计的输出是敏感栅覆盖面积的平均应变，在应力集中区域，峰值应变局限在很小的区域内，若选用较大栅长的应变计，将造成明显的测量误差，然而，栅长过小的应变计，许多性能将下降，尤其是应变极限蠕变、静态测量稳定性以及疲劳寿命等。为了获得真实的测量值，通常应变计的栅长不大于测量区域半径的1/5 ~ 1/10 。图3.10为应变计栅长对测量误差的影响。
25
重庆大学硕士学位论文
图3.10 应变计栅长对测量误差的影响
Fig 3.10 the influence of strain gauge grid length on measurement error
2) 选择应变计的阻值。应变计电阻的选择应根据应变计的散热面积、导线电阻的影响、信噪比、功耗大小来选择。对于应力分布测试、应力测试、静态应变测量等，应尽快选用与仪器相匹配的阻值，一般推荐用120Ω、360Ω的应变计。
3) 应变计敏感栅结构形式的选择。这包括敏感栅的形状、数目和方向，横栅尺寸，焊端的形状及分布，敏感栅的横向宽度等，可分为单轴应变计和复式应变计。一般来说常用的应变计有单片、T片、应变花以及剪切片等。其结构形式如图3.11：
4)
(a)单片 (b)T片
(c)应变花 (d)剪切片
图3.11 应变片的敏感栅结构形式
Fig 3.11 sensitive gate structure forms of strain gauge
26
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
5) 根据实际使用的情况选择应变计来组建桥路。例如：单片组1/4桥一般用于单点应变或应力测量；剪切片组半桥可以测螺旋弹簧应变；T片组全桥可用于杆件轴向应变的测量。图3.12是几种常见的应变片组桥方式：
(a)1/4桥 (b)半桥（一）
(c)半桥（二） (d)半桥（三）
(e)全桥（一） (f)全桥（二）
27
重庆大学硕士学位论文
(g)全桥（三）
ST - 应变片 R - 匹配电阻 ε- 轴向应变 V - 泊松比 U - 供桥电压 U0 - 桥路输出 P+,P- - 供桥电压正、负 S+,S- - 桥路输出正、负
图3.12 几种常见的应变片组桥方式 Fig3.12 several common ways of strain gauge bridge
② 加速度传感器
典型的加速度传感器有压电式、压阻式和可变电容式加速度传感器。 其三种的特点为：
1) 压电式传感器具有低阻输出特性，可以用普通双线长电缆连接，可以用于潮湿油污的环境和电磁干扰环境，系统可靠性高，简化操作。可以直接接到许多FFT的数据采集与恒流电源输入端。不太适合静态测量，测量精度稍逊于可变电容式加速度传感器。
2) 压阻式传感器，其优点在于可以调整传感器电气输出特性的灵活性宽带动态范围。可以在较高的温度下工作。可以做准静态标定石英力及传感器。但是，压阻式传感器需要培训专业的知识，了解和正确操作高阻抗系统。高阻抗系统电路又必须保持清洁和干燥，这就需要特殊用途的低噪音电缆以最大限度地减少摩擦电缆所产生的噪音。
3) 可变电容式传感器，可以测量物理量的静态值或稳态值，测量精度高。缺点是仅能用于低频测量。
加速度传感器一般是基于单自由度质量弹簧工作原理制造的。在加速度传感器固有频率之下时,得到的加速度响应信号正比于激励信号。在三种加速度传感器中最常用的是压电式加速度传感器。其结构紧凑,简单易用且动态特性优良。压电式加速度传感器的典型特点为：仅用于动态测量（＞0.5Hz）、宽的动态范围（＞120dB）、宽的测量频率范围（＞10kHz）、自发电传感元素、高温电荷型（650℃）以及较低的成本等。
28
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
压电式传感器的结构类型有：压缩式、反向压缩式、梁式、剪切式以及环形剪切式等.
图3.13 加速度传感器的外形
Figure 3.13 the appearance of acceleration sensor
压电加速度传感器的高频响应决定了，它能够测量振动的最高频率（或谐波成分），或最短的冲击脉宽。它取决于1）压电加速度传感器的机械结构和安装特性；2）放大器的高频；3）长电缆驱动。
考虑到电缆的电容量，如果驱动电缆电流不足，就会使信号失真，并增加了测量噪声。一般在频率10kHz以下都不会发生这种问题。只有在电缆长度超过30米，频率超过10kHz的情况下才会考虑长电缆驱动的影响。所以一般在乘用车上使用压电式加速度传感器是能够满足测试需求的。
③ 六分力传感器
WFT (六分力传感器):测量轴头二个互成丧角方向的载荷和力矩,同时它也测量和记录车轮速度以及位置。值得一提的是,该传感器价格昂贵。六分力传感器主要由测力单元（load cell）、轮毂适配器、轮辋适配器以及其他机械和电子附件构成。其拆解结构大致如下：
图3.14 六分力传感器拆解结构图 Figure 3.14 the structure of the WFT sensor
29
重庆大学硕士学位论文
图3.15 六分力传感器及其安装附件 Fig 3.15 the installation accessories of the WFT sensor
六分力测试系统的坐标系以车轮坐标系为基准。车轮坐标系与车辆坐标系对应平行，是不随车轮旋转而旋转的坐标系。为了保证与车辆坐标系方向上一致，需要对相应的车轮上的相应载荷进行符号变换。随着车轮旋转，基于其转动轴心和Load Cell中性面的坐标系如图：
图3.16 整车坐标系的定义及车轮的受力方向定义
Fig 3.16 the definition of the vehicle coordinate system and the direction definition of
the stress on the wheel
30
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
Load Cell测量车轮的载荷计算原理：
图3.17 Load cell在旋转坐标系和整车坐标系下受力转换关系
Fig 3.17 the Load cell stress transformation relationship under the rotating coordinate system and
the vehicle frame
m = sin ° = cos 36° = 0,809017 mr = Load Cell A，E到z轴的矩离; n = cos ° = sin 36° = 0,587785 nr = Load Cell A，E到x轴的矩离; o = sin 18° = cos 72° = 0,309017 or = Load Cell B，到x轴的矩离; p = cos 18° = sin 72° = 0,951057 pr = Load Cell B，到z轴的矩离; r = Load Cell 所在节圆的半径；
例如要计算Mx：
Mx= -mr*FAy+ o*FBy + r*FCy + o*FDy - mr*FEy
车轮转动时的载荷计算原理如下两图所示：
31
重庆大学硕士学位论文
图3.18车轮转动时的载荷计算原理
Fig 3.18 the load calculation principle when the wheel turning
图3.19车轮转动时的载荷转换关系
Fig 3.19 wheel load conversion relations during the rotation
Frx = Fx*cos α + Fz*sin α Fry = Fy
Frz = Fz*cos α - Fx*sin α Mrx = Mx*cos α + Mz*sin α Mry = My
Mrz = Mz*cos α - Mx*sin α
六分力传感器通过测量实时的角度信号就可以计算出车轮轮心的六分力载荷值。
32
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
④ 其他常用传感器
除了上述的几种传感器外，在道路载荷谱采集过程中常用的传感器还有以下几种：
1) GPS:在道路载荷谱采集过程中使用专用GPS传感器来记录经纬度、海拔以及速度等信息，以便还原道路载荷谱采集过程轨迹和实时速度信息。
2) 逻辑开关：作为采集过程中的人工标记信号，随车采集人员可以根据需要通过该传感器给出0或1的标志符号。一般此传感器用于分割不同类型路面。
3) 油温传感器：其核心部件为热电偶，用于测试道路载荷谱采集过程中局部温度信号。
4) 无线传感器：用于旋转或活动部件，弥补有线传感器的不足之处。 当然还有其他很多传感器，可以根据道路载荷谱采集的需求选配。
3.2道路载荷谱采集试验的软件系统
在道路载荷谱采集试验过程中，主要用到了TCE和nCode两款软件。TCE软件是eDAQ 自带的设置软件，与计算机通讯后，利用TCE 软件设置传感器通道等信息，并控制eDAQ 硬件设备采集数据。nCode软件中的GlyphWorks模块能处理各种从简单的单通道一次测试到复杂的多通道多次测试数据。下面将主要介绍TCE和nCode两款软件的功能和使用方法
3.2.1 道路载荷谱采集软件
TCE软件有如下功能：
1) 建立设置文件定义和标定传感通道； 2) 软件内置ISO 文件测试程序；
3) 定义数据类型和计算通道以便进行在线数据计算和分析； 4) 测试数据的采集确定触发条件，可实现手动触发或程序触发等； 5) 采用TCE 时间运行显示监测测试数据；
6) 监测测试和存储状态；初始化、启动、重启和结束测试等。 通信设置
通常情况下我们采用以太网RJ45 接口的点对点实现计算机与eDAQ硬件系统的连接。连接好之后，需使eDAQ系统的IP 地址和计算机的IP 地址处于同一个网关下，一般在知道eDAQ的IP 地址的情况下，可对计算机的IP 进行修改。选择菜单Preferences，Communications，如图3.20，在打开的对话框中点击“Add”，键入eDAQ-lite 的IP 地址192.168.100.100，如图3.21。点击“OK”完成通信节点的建立，如图3.22 所示。
33
重庆大学硕士学位论文
图3.20 选择通信设置菜单
Fig 3.20 choosing communication Settings menu
图3.21 新建通信节点 Fig 3.21 new communication node
图3.22完成通信节点的建立
Fig 3.22 the establishment of a communication node
34
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
新建系统配置文件
选择File/New Setup 或工具栏上的New Setup 图标建立一个新的配置文件，如图3.23所示。图3.23选择New Setup 建立一个新的配置文件新建系统配置文件后打开5 个窗口，在接下来的硬件查询、传感器配置、标定以及数据模式的定义都在这5 个窗口中完成。如图3.24所示。
图3.23 选择New Setup 建立一个新的配置文件 Fig 3.23 select the New Setup to create a new configuration file
图3.24 新建配置文件打开5 个窗口
Fig 3.24 opened five windows of the new configuration file
定义传感器信息
激活五个窗口中的 Transducer and Message Channel Setup 窗口，如图3.25 所示。鼠标左键点击 Transducer and Message Channel Setup 窗口下方的 “Add” 按钮，将弹出传感器形式选择对话框 （Select Transducer Channel Type）。例如当我们确认传感器形式为电桥后，弹出默认通道形式选择对话框（Select Default TypeChannel Add），该对话框中提供了一些常用的传感器通道形式。通过选择默
35
重庆大学硕士学位论文
认通道形式，在后面的传感器标定对话框中，若干参数将自动设定好，这样就方便了操作，特别是在通道数目较多，传感器配置参数复杂的时候，不仅可以大量节省操作时间，也降低了传感器参数配置误操作、漏操作的可能性。
图3.25电桥式传感器参数设定及标定(p1)
Fig 3.25 the parameter setting and calibration of a bridge type sensor (p1)
定义数据模式
选择数据定义模式对话框（Data Mode Setup），点击Add，打开通道添加界面，如图3.26所示。
图3.26数据模式定义对话框 Fig 3.26 data schema definition dialog
36
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
选择Time History，该模式将把通道采集的信号按时间先后顺序存储下来用于以后的分析，其他数据模式则不同程度的对通道采集的信号进行了选择或压缩。 6.系统初始化及试验运行
以上过程完成后，就可以将这些参数写入到eDAQ/eDAQ-lite 的系统中去，对硬件进行初始化。初始化开始前，系统将提示用户对设置文件进行保存。选择工具栏上标有2 的图标，或打开控制面板，如图3.27 所示，点击即进行初始化。
图3.27 初始化 Fig 3.27 initialization
初始化完成后，点击工具栏上标有3 的图标，就可开始试验运行。如图3.28 所示。输入对该次试验运行的描述（如试验地点，目的以及环境等），点击“Start Run”按钮，系统即进入运行状态，此时eDAQ-lite 上的指示灯闪烁。
图3.28开始试验运行 Fig3.28 the began of a test
37
重庆大学硕士学位论文
试验运行停止及数据下载
试验完成后，需先停止试验运行，点击工具栏上带有6 的图标，停止试验运行。点击工具栏上带有7 的图标，下载数据，如图3.29 所示，完成试验。
图3.29数据上传 Fig 3.29 data upload
3.2.2 道路载荷谱分析处理软件
本文主要使用了nCode的GlyphWorks模块来进行道路载荷谱分析。GlyphWorks能处理各种从简单的单通道一次测试到复杂的多通道多次测试数据。如果仅测量少量的数据，可能看不出该平台的强大功能，但如果要自动处理大量的测试数据，那么该平台将会节省大量的工作时间。
测试人员可以选择在一个较长的时域信号中记录下所有事件，但通常倾向于将它们分开成单独的测试文件，以便了解被测试部位对每一个事件的响应情况。我们可通过在每一次测试前创建一个新文件来将它们分离。采用GlyphWorks后，我们可以很方便的在整个采集工作完成后来对它们进行分离
一旦我们确定了去进行所有能反映被测试部位各种工况的测试时，我们就必须要确定测取何种参数。例如，我们计划测取每个车轮的垂向位移和横向稳定杆上的扭矩，需要两个位移计来测位移和四个应变片来测扭矩。因此，总共要同步测试六个通道的数据。
GlyphWorks可自动处理各种类型的数据。如果输入大量的测试数据，GlyphWorks将按顺序对每个数据进行处理。而且，GlyphWorks可对每一次测试中
38
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
同步测取的大量通道进行同步处理。这样就很容易对上述测取的原始应变通道通过运算来获取扭矩。
GlyphWorks能通过文件命名规则或原始数据文件来自动判断通道编号方式。如果数据文件名以二位数字结尾，GlyphWorks会认为这个数字就是通道号，这样每次测试可允许多达99个通道。如果需要更多的通道数，如999、9999等，只需修改其属性参数即可。
…\\TestName02.sie …\\Test0102.sie
GlyphWorks提供项目文件夹的选择。该文件夹是存储与此项目相关的所有数据的地方。当GlyphWorks运行时，可从任何位置如硬盘、网络或数据库管理系统中选取数据。这里所选择的文件夹将用于存储所有生成的数据文件。
测试人员可直接将数据从树状目录上拖拉到工作区，GlyphWorks将自动识别该数据类型并生成相应的数据导入glyph。Time Series glyph具有预览Display选项，该选项提供在glyph中的交互式数据图形显示：
图3.30 glyph中的交互式数据图形显示 Fig 3.30 glyph interactive data graphical display
图3.31数据输入glyph Fig3.31 input data in glyph
39
重庆大学硕士学位论文
点击所选区域的两侧或拖拉鼠标框选感兴趣的数据片段，即可放大该段数据。同时所有通道的数据将自动按所选时间片段来放大显示。
每个Glyph都通过图形表征其分析功能，包括有输入Glyphs、输出Glyphs和各种不同功能的Glyphs。输入Glyphs提供数据来源，输出Glyphs提供数据接收器并以图形显示数据或写出到文件中，功能Glyphs读入源数据然后对之进行处理并输出结果数据。
所有的Glyphs被分到不同面板，基本操作和运算glyphs位于Functions面板，其他的glyphs按其各自的功能被分组到不同面板如：Signal, Frequency, Fatigue等。
Glyphs通过其上的连接端子用管道来相互连接，数据从左边端子流入glyph，然后从右边端子流出。输入glyphs只在右边有端子，而输出glyphs只在左边有端子。
端子通过不同的颜色来表征可通过的不同类型数据，各颜色代表的含义如下。管道仅能连通相同颜色的端子（注：灰色端子可接收任何数据）。
为实现Glyphs之间简便的连接，当点击某一Glyph上的连接端子时，其它Glyphs上与之相兼容的连接端子均高亮显示，此时只需简单的移动鼠标至其它端子上并点击即可实现连接。
图3.32 glyph中数据流 Fig 3.32 the data flow in the glyph
图3.33数据处理实例
Fig 3.33 the example of a data processing
40
3 道路载荷谱釆集试验系统的设计
图3.34 连接端子定义
Figure 3.34 the definition of the connection terminal
常用的功能有雨流分析（Rainflow glyph）、振幅概率分布（Amplitude Probability Distribution glyph）、频谱分析（Frequency Analysis glyph）和统计分析（Statistical Analysis glyph）。这些glyphs将被用于探测异常信号，如毛刺、电子线路干扰、数据限幅、零漂、信号长度不足、混淆等。
3.3本章小结
本章主要是介绍了道路载荷谱采集系统的软硬件组成。通过eDAQ数采设备来采集各种传感器的试验信号。然后利用软件系统提供的数据处理功能模块来对采集的信号分类整理和后续分析处理。这样就可以得到质量较高的载荷谱数据，为后续疲劳寿命的计算打下良好的数据基础。
41
重庆大学硕士学位论文
42
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
外部的载荷作用的构件上，构件会对其产生一定的响应，响应时载荷历程在经过某种计数方法处理之后，得到的各种表现形式的累计频次分布，称之为载荷谱[50] (Loading Spectrum)。
有价值和可靠的载荷谱采集试验都是以对载荷的理解为基础的。换句话说，在开展试验之前，我们需要大致知道我们的实验对象的特点是什么以及我们自身所具备的试验条件。这个过程包括对典型和极端工况的确认，采集特定的数据，进行公共路况与试验场路况的关联等若干步骤。进而我们可以了解试验车辆在某一特定设计里程下的运行载荷。具体地说，需要将车辆安装传感器，采集一定数量的数据，对数据进行分析，并通过统计学的方法对用户运行载荷进行分类。再按照同样的方法获得同一车辆在试验场的运行载荷，然后对其分类。得到公共路面与试验场路面对车辆损伤的当量关系。
4.1载荷谱采集试验路面与工况
要得到准确的工作载荷，必须根据汽车真实的使用情况来确定汽车的实际工作载荷。可以通过调查用户汽车使用情况和模拟汽车使用测试分析来得到用户使用条件下汽车的载荷输入。但是用户的使用情况十分复杂，如何在有限的条件下再现用户使用工况下的载荷是非常困难。因此可以在试车场里擦剂典型工况下采各种路面及路况的载荷情况，然后按一定比例混合重现载荷输入。这样就可以获得与用户使用条件下同等寿命的载荷谱。
在汽车试验场做载荷谱采集试验都要按相应的规范来进行道路试验，规范里规定了道路试验的路面类型、典型工况、汽车负载状态和试验里程等。例如，一辆乘用车的载荷谱采集，它的典型试车场道路测量路面为:搓板路、扭曲路、石块路、长坡路、制动路面、综合路、爬坡以及高速环道等。根据试验规范，其道路试验的里程数可以按照强化系数折算成被测零部件在实际使用条件下数倍的当量使用里程数，所以试车场采集到的载荷谱实际上是一种经过强化了的载荷谱。
车辆寿命由单一零部件的疲劳寿命决定，而疲劳寿命则是载荷循环的函数。因此，任何试验场的用户关联均取决于决定载荷循环的各项参数。单独某一部件决定不了整车的用户关联关系。需要综合考虑悬架、车身、或车架、动力总成及其悬置系统等各部分的差别。在获取各总成或部件的受力时，可选择合适的传感器采集相应的数据，在对其进行标定。
一般情况下，道路数据采集会经历较长的时间。如试验场数据采集会涵盖
43
重庆大学硕士学位论文
10~15种路面类型和特定工况，并经历至少2~3种重载条件。总的数据采集量可能包含近1500段信号，约3GB的数据。这是一个很庞大的工作。因此，数据采集的计划非常重要。
道路载荷可分为两种类型：
类型一：来自连续行驶时路面的激励。对这一类的数据，路面类型、车辆载重和车速非常重要。这类数据可用路面类型进行分类（如城市路面、乡村路面、高速路面、山路等）。其特点是，在某一特定条件下，它们可视为一个稳态随机过程，并且可根据较长的时间样本预测极端载荷。
类型二：来自人为操作或特殊输入（如坑洼、坑道、缓速带、铁轨、紧急转向、紧急刹车、撞马路崖、车架大位移扭曲等）。在这类数据中，车辆载重非常重要。在分析数据时，需要这些工况进行确认，并统计它们每公里出现次数。比如，某长途行驶信号中，每1000Km有1次过铁轨的工况，而在城市内部，每50Km过一次铁轨。
4.1.1典型路面类型
路面类型、行驶车速、装载条件决定了车辆的使用类型。上世纪90年代初，中国第二汽车公司（东风）与德国技术研究部（BMFT），合作进行了一款卡车研究项目，确定了当时中国用户路面分类模型，如表4.1。
表4.1路面分类
Table 4.1 road surface classification
路面类型 城市路面 柏油路面 乡村公路 坑洼及野外路面
比例 25% 20% 35% 20%
当然，经过20多年的发展，路面分类一定程度上发生了变化。实际上，每一种车辆的使用路面分类都不相同。
道路路面不平度数据是车辆工程试验中研究外部输人激励的主要成分,影响车辆行驶的零部件疲劳寿命、运输效率、乘坐舒适性、平顺性、操控稳定性、油耗等各方面[51][52]。在车辆工程领域,需要根据目标地区道路路面特征进行开发设计，确保汽车性能能够满足当地的需求，因此很有必要针对不同地区路面特点合成具有代表性的试验路面数据[53]。准确地获取需要的、有典型代表意义的道路路面数据在汽车开发过程中是非常重要的。
44
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
在汽车工程领域 ,常用的路面评价方法为功率谱密度曲线 [] (Power Sp - ectrum Dinsity,PSD)。以空间频率为横轴 ,以单位空间频率范围内的有限均方值为纵轴来作出路面不平度曲线,称为路面垂直位移功率谱密度,简称道路谱或路谱。在车辆工程中，由于项目的需求要对大量实际路段进行分析统计,然后综合提取总体路面特征。使用路面等级比例分析方法可以很好地满足这个需求 。具体方法是：从路面不平度数据中提取出较好反映路面特点的10个特征参数：路面标准起伏、部分路面八级比例系数以及IRI值等。
4.2整车道路载荷谱采集过程
对不同的生产商和市场，车辆的寿命定义不同，同一辆车不同总成的寿命里程也不一样。如转向、悬架件的使用寿命远大于车身部件。一般，车辆的寿命定义可描述为：
① 对90%的用户，寿命里程超过16万公里； ② 对一般典型用户，寿命里程超过100万公里； ③ 95%的用户，每年10万公里,5年使用寿命。
为了获取载荷中的有效信息,需要设置适当的釆样频率和滤波方式。载荷谱数据与疲劳寿命分析、釆集点承受的载荷的确定、结构运动特征描述等息息相关。因而数据采样率对载荷谱采集结果有至关重要的影响。因此,需要先了解载荷的频率分布状况 ,根据采样定理来保证所有信号曲线转折点都能得以准确表达。这样既能保证采集的载荷谱真实有效又可以节省资源提高效率。本文在信号采集时,将采样频率设置为1024Hz，这完全能够满足汽车疲劳耐久分析的需要了。
4.2.1确定传感器的布置方案
在准备试验车辆时，应将其加满燃油。然后，根据试验需求配重,同时胎压达到标准要求。布置传感器测试点从理论上讲是越多越好。但是由于采集设备的通道数以及人力物力成本的,测试点的选择尽量做到重点覆盖，适当精简。测试点布置遒循的原则是重点突出,同时协调全面性和经济性。信号釆集点应布置在对路面的激励较为敏感的区域 [55]。
① 应变计的安装
在试验车上安装应变计的位置确定为:在道路试验中出现开裂的位置、疲劳耐久分析得到的危险位置、在CAE分析中的应力集中点以及车辆关键结构部位。应变桥路分为半桥,全桥和1/4桥。根据测试的需要,选择不同的桥路形式,例如,在测量二力杆件的轴向载荷时,选择T型应变片组全桥测试;测量零件弯曲应变时,选择单片组半桥测试;测量弹簧或扭转应变时，应该选择45度剪切片组半桥或全桥测试。
对某紧凑型乘用车进行CAE分析得到了其整车的应力分布云图，下面
45
重庆大学硕士学位论文
以该车转向节为例来说明应变计采集点的确定流程。
制动器下安装点根部 制动器上安装点根部
图4.1 制动工况下转向节的应力分布云图
Fig 4.1 knuckle stress distribution nephogram under the condition of braking
前减震器安装点根部
图4.2 转向工况下转向节的应力分布云图
Fig 4.2 knuckle stress distribution nephogram under the condition of steering
从转向节在制动工况和转向工况静载作用下的应力分布云图来看，应力集中在制动器上下安装点的根部出现了应力集中现象，因而可以在这几个部位贴上应变片来监测应力变化情况。这三个部位受力特点为：制动器上下安装点主要受弯矩的作用，而前减震器上安装点根部受力比较复杂。所以贴片规划为：在制动器上下安装点分别贴两个单片组半桥来获取该处的弯曲应变信息；在前减震器上安装点根部贴一个应变花，以便测试该处的主应力方向和大小；在CAE分析中并没有反应出应力集中的转向拉杆安装处，根据实测的经验发现其也是易发生疲劳裂
46
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
纹的点，因而在此处也需要测试其弯矩。贴片结果如图4.3所示：
转向拉杆安装点根部（2个单片组半桥） 制动器下安装点根部（2个单片组半桥） 减震器安装点根部（一个应变花，组3个1/4桥） 制动器上安装点根部（2个单片组半桥）
图4.3 转向节贴片结果 Fig 4.3 paste strain gauge on knuckle
其他部位的应变计安装确定方法也大致与转向节的方法相同，本文所研究的乘用车所采集的应变通道数为43个，表4.2为采集时部分通道布置位置和桥路类型表：
表4.2 部分应变采集通道表 Table 4.2 section strain acquisition channel
序号 1 2 3 4 5 6 7
安装位置名称
左转向节制动器上安装臂根部 左转向节制动器下安装臂根部 左转向节横拉杆安装臂上下两侧 左转向节减震器安装下根部应力集中点 左转向节减震器安装下根部应力集中点 左转向节减震器安装下根部应力集中点
右转向节制动器上安装臂根部
桥路类别 半桥 半桥 半桥 1/4桥 1/4桥 1/4桥 半桥
47
重庆大学硕士学位论文
序号 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
安装位置名称
右转向节制动器下安装臂根部 右转向节横拉杆安装臂上下两侧 右转向节减震器安装下根部应力集中点 右转向节减震器安装下根部应力集中点 右转向节减震器安装下根部应力集中点
稳定杆接头 左后弹簧 右后弹簧 左前弹簧 右前弹簧 右摆臂 右摆臂 扭力梁加载端上下 扭力梁加载端左右 扭力梁扭杆中点
桥路类别 半桥 半桥 1/4桥 1/4桥 1/4桥 全桥 半桥 半桥 半桥 半桥 半桥 半桥 半桥 半桥 半桥
② 加速度传感器的安装
车轮加速度传感器布置在尽量靠近轮胎中心（一般安装在轴头）。车身加速度传感器布置在车身正对车轮上方位置（一般安装在车身悬置处）。加速度传感器采用磁铁磁性吸附或粘接剂固定在轮胎中心的平台部位。若没有平台部位需耍通过表面处理来获取平台。安装时要保证加速度传感器的坐标方向与整车坐标系方向重叠。如图4.4 所示为加速度传感器的安装位置：
48
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
图4.4 加速度传感器的安装位置 Fig 4.4 acceleration sensor installation location
③ 六分力传感器的安装
先将轮胎安装在轮辋上，再将动平衡适配器安装到轮辋上（螺丝安装方法参见2.2.3），进行动平衡。轮胎充气到需要的压力值。
用沾有丙酮（或类似的有机溶剂）的无尘布清洁测力单元和轮辋适配器的安装面，将测力单元装入并用螺钉将所有测力单元预装在轮辋适配器上；然后按照顺序，用扭矩扳手将螺丝拧紧。再按照下图所示的连接方式将六分力所有组件连接起来组成测试系统：
车轮电子
LF
RF
连接盒 遥控器 LR RR
数采/PC
图4.5六分力测试系统组成 Fig 4.5 WFT test system
49
重庆大学硕士学位论文
现场安装完成后的六分力传感器主体部分如下图：
图4.6六分力传感器主体部分 Fig 4.6 WFT sensor main part
4.2.2载荷谱试验场采集
在调试好采集设备和传感器以后，将由专业道路试验驾驶员驾驶试验车辆，测试工程师随车进行道路载荷谱的采集工作。测试开始前需要进行预采集工作，其具体做法是：试验车辆在进入试验场采集前先行驶一段路程，测试工程师通过道路载荷谱采集软件记录下这段路的载荷谱数据，然后检查所采集数据信号有没有异常情况。待一切准备工作完成后，将试验车行驶至试验场入口处，初始化软件系统，开始道路谱采集工作。采集过程中，道路试验驾驶员将严格按照路试规范的内容进行车辆驾驶操作，测试工程师将全程实时监控测试数据的时间历程显示结果，确保数据的正常有效。同时，在此过程中要留意测试设备和计算机的电量是否充足以及随时关注传感器接头有无松动。本次道路谱采集试验确定试验场内采集路线为：
振动路 浅滩 长波路 搓板路 车身扭转路 弹跳坑 卵石路 接缝路 坑洼路 倾斜车道 限速路障 大石铺装 规则长波 比利时铺装 碎石路 砂石路 综合评价道
在试验场中采集的过程中，由于时间和资源的需要快速检查数据的正确性。此时最有效的办法就是通过检查采集数据的特征值和载荷谱形状来快速判断数据的正确性与合理性。检验的方法大致如下：
① 底盘部件应变数据检查
测试信号都基于静止状态初始值上下跳动，具有连续性的特点；针对用于测试杆系部件轴向力、位移的信号，建议根据标定系数转化为力、位移，根据车辆
50
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
相关设计指标，可检查数据范围的合理性。
② 加速度数据检查
轴头加速度，通常x，y方向在5g以下，z向在20g以下，但个别工况下会比较大，需结合工况特点，四轴头数据对比检查合理性；车身减震塔加速度，通常x，y方向在2g以下，z向在5g以下，但个别工况下会比较大，需结合工况特点，四轴头数据对比检查合理性；以上加速度信号，测试过程中，都基于零值上下跳动。
③ 六分力数据检查
FX检查，制动工况下FX为正，MY与FX比值为车轮滚动半径；FY检查，右转弯工况下，FY为正值；FZ检查，测试过程中，FZ值在配重轴荷上下跳动。
④ 数据检查中，各通道数据均需认真检查，确认其合理性
若信号上下极限位置处数据，存在急剧过渡到平直区域的现象，信号可能存在测试量程不足情况；数据不合理信号，可针对信号重要程度，决定是否需要重新采集。通过数据处理软件所带的模块搭建流程来检查数据。
⑤ 出现严重错误需要重新采集。
4.3对载荷谱信号的分析与后处理
试验场采集的路段都设计得具有很强的典观性、代表性和概括性。它可以反映汽车再真实使用场景中的客观事件。试验场釆集路段类型及其比例的确定要能够满足与实际行驶路面的载荷分布的一致性要求。采集的载荷谱数据时，需耍及时检查各个循环的数据变化情况，确保采集到的数据结果一致性较好。
在车辆耐久性研究中，采集的道路载荷谱具有许多十分重要的价值。例如，采集的载荷谱可以用来验证企业耐久性试验规范是的准确性；给台架迭代试验提供目标参考信号；便于建立室内台架试验与试验场的当量损伤关系；采集的载荷谱也可用来给CAE分析提供边界条件；采集相关的应变信号可以实现基于真实路谱的损伤计算。
4.3.1 道路载荷谱信号的检查与修正
虽然在试验场内采集的时候已经对道路谱数据进行了快速检查，但由于时间和条件的许多细节上的问题并未在检查之列。下面通过对采集的载荷谱数据进行一些处理来获取更多的有效信息。同时，需要对出现毛刺，零漂，温漂，局部超限等问题的数据进行修正，以保证载荷谱数据的完整性与正确性。
① 原始数据浏览
以下为试验场采集的部分原始数据：
51
重庆大学硕士学位论文
图4.7试验场采集的部分原始数据 Fig 4.7 part of the original data from proving ground
对87个通道数据浏览发现： 通道19、20、21（左转向节减震器安装下根部应变花数据），其中一个花的数据发生漂移（通道20），对比三个通道数据可知通道20的数据幅值最小，灵敏度相对较高，易出现飘移，经过处理后不影响后期分析； 通道25、26、27（右转向节减震器安装下根部应变花数据）和通道35、36、37（扭力梁V型梁扭转应力应变花数据），存在同样情况。 下面通过在ncode软件中搭建流程来去除漂移。
基于统计学的理论,采用莱因达准则[56]可以很好的识别毛刺信号。对于一组数据：X1, X2, X3…..Xi …… Xn,其均值为和标准差σ，则有：
(4.1)
(4.2)
如果当
时，则为正常点；
时，则为奇异点，删除该奇异点。
其中，k的取值应该从小到人尝试并保证整组数据奇异点较少。利用该原则对一应变信号进行处理，如图
52
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
图4.8去毛刺过程 Fig4.8 removing burrs
除毛刺信号外，数据漂移信号也比较常见。信号漂移包括零点漂移（零漂）和温度漂移（温漂）。漂移即在载荷谱采集的时间范围内有一个缓慢变化的趋势（变大或变小），它是一种由设备的工作环境和设备自身固有缺陷共同作用造成的。 漂移趋势项的周期一般来说都大于载荷谱中的各个频率成分的周期。漂移的存在可能使原信号的功率谱密度和相关函数发生畸变甚至完全失真。一般我们通过载荷谱的全周均值与动态均值来纠正漂移[57]。数据去漂移对比如图
图4.9 数据去漂移前后对比图
Fig4.9 data comparison before and after removeing drift
② 对数据进行幅值谱分析
在整体对数据进行确认后，应该对数据进行幅值谱分析。因为对于局部的数据问题很难在整体检查中发现。下面是一组在采集过程中并未发现的幅值超限的
53
重庆大学硕士学位论文
位移传感器数据，前两个为正常数据，后两个数据为异常数据。
图4.10 幅值超限的位移传感器数据
Fig 4.10 transfinite amplitude data of displacement sensor
下面对其进行幅值谱分析可以得到如下的结果：
图4.11位移传感器数据幅值谱分析结果
Fig 4.11 the amplitude spectrum analysis results of displacement sensor data
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
后两个位移传感器信号在-20mm左右出现了幅值谱的集中现象，因而可以判断其超过了测量范围的下限值。超限会造成大量的数据信息丢失，并且这个错误是不能够通过后期数据处理来弥补的。所以，一旦出现超限的情况，该组数据就不能再在后期的迭代分析和载荷分解中使用了。
③ 信号关联性分析
为了验证数据的正确性，还可以对不同传感器采集到的数据进行关联得到相应信号的关联关系。对悬架系统来说，安装在其上的加速度传感器和位移传感器是相互存在关联的，因而可以通过关联性分析来相互证明数据的正确性。下图为左前悬架传感器布置位置：
车身悬置处a1 位移d 轴头处a2
图4.12 左前悬架传感器布置位置
Fig 4.12 the position of sensor on the left front suspension
理论上来说车身悬置、处加速度传感器a1、轴头处加速度传感器a2以及位移传感器d存在如下关系：
(4.3)
下面三个数据分别为：左前驱动轴头处加速度传感器信号、左前车身悬置处加速度传感器信号以及左前减震器弹簧相对位移传感器信号
55
重庆大学硕士学位论文
图4.13 左前悬架传感器信号
Fig 4.13 the sensor signal from left front suspension
搭建ncode处理流程如下图：
图4.14 ncode处理流程 Fig 4.14 ncode program
56
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
处理结果如下图，可以看出其重合度很好：
图4.15 处理结果 Fig4.15 the calculation results
4.3.2 道路载荷谱信号的分析与筛选
本次试验有三个采集样本，每个样本都有87个通道的数据。每个样本在时序上是的，因而样本中的通道数据不能够混合重组。这就需要从中挑选出最佳的一个采集样本进行后续处理。为了能挑选出这组数据我们引入了统计学方法中的标准差。
标准差也可称作标准偏差，或者实验标准差，计算公式如下：
（4.4）
具体的方法是，首先确定需要重点关注的通道为24个六分力通道、4个轴头加速度z向通道、4个车身悬置处z向通道以及4个悬置处弹簧位移传感器通道等36个通道的数据。再计算出每一个通道的标准差。然后对比三个样本中同一通道
57
重庆大学硕士学位论文
的标准差值，选出标准差最小的那一个样本记录下来。最后再统计每一个样本标准差最小值的个数。将标准差最小值个数最多的那一个样本作为最终的样本。为了计算标准差需要先将载荷谱曲线转化为采样点数据矩阵，其结果如下：
表4.3 左前轮六分力通道**********_1采样点数据矩阵
Table 4.3 the sample points data matrix of the left front WFT channel （**********_1）
序号 时间 采样值 序号 时间 采样值 序号 时间 采样值 序号 时间 采样值 序号 时间 采样值 序号 时间 采样值 序号 时间 采样值
1 0 -9 9
2 3 4 5 6 7 8
0.00195 0.00391 0.00586 0.00781 0.00977 0.01172 0.01367 -6 10
-657 11
-653 12
-631 13
-618 14
-616 15
-620 16 0.0293 -612 24
0.01563 0.01758 0.01953 0.02148 0.02344 0.02539 0.02734 -619 17 0.03125 -618 25
-608 18 0.0332 -633 26
-602 19
-585 20
-596 21
-621 22
-610 23
0.03516 0.03711 0.03906 0.04102 0.04297 0.04492 -652 27
-662 28
-659 29
-661 30
-6 31
-672 32
0.04688 0.04883 0.05078 0.05273 0.069 0.056 0.05859 0.06055 -676 33 0.0625 -675
-675 34
-671 35
-680 36
-682 37
-693 38
-683 39
-677 40
0.045 0.061 0.06836 0.07031 0.07227 0.07422 0.07617 -679
-678
-674 ……
-670
-686
-675
-680
4985 957 -127 4993 957.0156 -69
4986 957.002 -125 4994 957.0176 -71
4987 957.0039 -133 4995 957.0195 -56
4988 957.0059 -132 4996 957.0215 -65
49 957.0078 -149 4997 957.0234 -69
4990 957.0098 -138 4998 957.02 -93
4991 957.0117 -120 4999 957.0273 -102
4992 957.0137 - 490000 957.0293 -107
58
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
将36个通道的值全部转换为点阵数据后，计算数据方差值，统计结果如下：
表4.4 统计结果 Table 4.4 statistical results
通道
ACC@Az_LF_wh
ACC@Az_RF_w
ACC@Az_LR_wheel.RN_
1 1.61758006 1.37239027 1.79880798 2
ACC@Az_RR_wheel.RN_
1 1.6281
7 1.30490112 1.774181 2
ACC@Az_LF_sus.RN_1 0.1383421 0.1270782 0.1352844 2
ACC@Az_RF_sus.RN_1 0.1374471 0.1265734 0.13883 2
ACC@Az_LR_sus.RN_1 0.145042583 0.127113223 0.158597335 2
ACC@Az_RR_sus.RN_1 0.144253463 0.126217976 0.14902 2
eel.RN_1 heel.RN_
1
1
1.507588387
2
1.25985384
3
1.637988806
最小标准差样本号 通道
DIS@S_LF_sus.RN_1
1
120.4069977
2
111.6555023
3
DIS@S_RF_sus.RN_1 97.62344 .6702881
2
1.48387551 1.24724662 1.672388 2
DIS@S_LR_sus.RN_1 136.498169 121.1609 96.8462372 3
DIS@S_RR_sus.RN_1 152.109741 134.1609
8 101.206825 3
WFT@Mz2.RN_1 14.87217 13.075277 15.436555 2
WFT@My2.RN_1 31.828726 41.7692 41.724518 1
WFT@Mx2.RN_1 39.71285629 36.94510651 24.76028061 3
WFT@Fz2.RN_1 402.44033 371.627 369.6391907 3
99.41819 77.47399
9
最小标准差样本号
3
3
59
重庆大学硕士学位论文
通道 WFT@FWFT@FWFT@Mz1.RN_1
WFT@My1.RN_1 32.23945 43.5113716 41.7074966 1
WFT@Mx1.RN_1 38.904617 37.900406 27.2076 3
WFT@Fz1.RN_1 399.76306 358.26126 365.282 2
WFT@Fy1.RN_1 152.227 146.1458588 112.9084167 3
WFT@Fx1.RN_1 179.3678131 184.1672363 216.4861755 1
y2.RN_1 x2.RN_1
1 147.8042145
217.490753 224.1571
5 297.947296 1
15.26363 13.8555031 14.9660149 2
2 137.4775238
3 98.88244629
最小标准差样本号
3
通道
WFT@Mz4.RN_1
WFT@My4.RN_1 50.53224 53.18381 47.1861038 3
WFT@Mx4.RN_1 42.3367691 41.4341316 35.95156
1 3
WFT@Fz4.RN_1
WFT@Fy4.RN_1
WFT@Fx4.RN_1 3.22903 323.35886 427.23456 2
WFT@Mz3.RN_1 24.19472313 21.05180931 28.80923653 2
WFT@My3.RN_1 50.90634155 .12811279 45.20804977 3
1 24.5279808
550.336731 491.706665 514.419312 2
167.51825 159.39308 157.282 3
2 21.36755562
3 27.30579185
最小标准差样本号
2
通道 WFT@Mx3.RN_1
WFT@Fz3.RN_1
WFT@Fy3.RN_1
WFT@Fx3.RN_1
1 39.41531557.1975159.0114345.0917
60
4 道路载荷谱采集试验及其结果分析
7
2
41.09146118
3
36.677607
最小标准差样本号
3
71 498.967682 514.094482 2
14 156.9575
2 156.140961 3
97 309.490631 397.1792
3 2
统计结果为：36个通道最小标准差样本号出现次数分别为：1号4次、2号17次、
3号15次。所以根据统计结果选择2号样本作为后续处理的数据。
4.4本章小结
本章主要介绍了整车道路载荷谱采集试验的整个流程。试验过程包括道路载荷谱采集试验的工况确定、传感器的选配、试验场现场试验以及试验数据后处理。通过该试验，我们可以得到疲劳耐久分析所需要的载荷谱数据。这样就可以利用该数据进行汽车零部件多轴疲劳寿命开发。
61
重庆大学硕士学位论文
62
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
在前期的道路载荷谱采集和数据分析工作完成以后，就可以运用所采集到的真实路谱数据进行计算机虚拟疲劳试验。本章将主要介绍基于真实路谱的计算机虚拟疲劳分析方法的研究。其思路大致如下： 建立整车 多体模型 建立有限 元模型
输入载荷谱数据 输入六分力数据 提取接口点载荷 得到疲劳寿命云图 验证疲劳寿命 对不符合设计寿命的零部件进行优化 5.1建立汽车多体动力学模型
本文所涉及的汽车的多体模型内容是基于MCS公司推出的ADMAS软件建立。因为在虚拟迭代过程中，仅需考虑轮心处位移和受力。同时，由于轮胎模型的复杂性以及其模型的准确性难以掌控，因此多体模型中没有包含汽车轮胎模型。在创建多体模型时,建立多个输出请求点（Rqeuest）,然后提取载荷，它们将用于对比道路载荷谱采集试验中传感器测得的试验信号(如弹簧位移、轮心六分力、减振器活塞杆轴向力以及转向节应力集中点受力);同时，建立多个用来存储虚拟迭代的结果的曲线驱动。
5.1.1 系统检查与调整
① 动力总成系统
由于疲劳载荷分析模型中，仅考虑在六分力作用下动力总成对车身和副车架的载荷影响。故可以忽略动力总成的内部参数，仅需将动力总成以简单的形式装配到相应的车身和副车架点即可，这样可以极大的简化多体模型。悬置衬套安装方向按照CATIA模型方向进行建模，详见下图；
63
重庆大学硕士学位论文
图5.1动力总成调整前后的多体模型
Fig 5.1 powertrain multibody model before and after the adjustment
动力总成质量参数其详情见表5.1：
表5.1 动力总成质量参数 Table 5.1 powertrain quality parameters 重量 主轴惯量
159 kg Ixx：5.0 Iyy：11.8 Izz：10.4
质心坐标
X: 149 Y: 15
kg.M^2 kg.M^2 kg.M^2 mm mm
② 前悬架系统
由于要提取前副车架与车身安装硬点载荷，需在前悬架模板中体现副车架；建立各部件装配点的载荷输出request，用于后期提取疲劳计算载荷； 各部件质量和惯量在CATIA模型中测得。左前摆臂部分参数信息如表5.2：
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
表5.2 左前摆臂部分参数信息
Table 5.2 the left swing arm part parameter information
重量
2.1
kg kg.M^2 kg.M^2 kg.M^2 mm mm
主轴惯量 Ixx：0.02
Iyy：0.04 Izz：0.06
质心坐标
X: 99.40 Y: -447.33 Z: -95.35
mm
前悬架多体模型调整前后如图5.2所示：
图5.2前悬架多体模型调整前后对比
Fig 5.2 front suspension multibody model contrast before and after the adjustment
③ 后悬架系统
考虑到横向推力杆受到扭矩作用，进行柔性化处理；建立各部件装配点的载荷输出request，用于后期提取疲劳计算载荷；各部件质量和惯量在CATIA模型中测得。参数信息如表5.3所示：
65
重庆大学硕士学位论文
表5.3 后悬架系统部分参数信息
Table 5.3 rear suspension system parameter information
重量
48.781
kg
主轴 Ixx：11.748 kg.M^2 惯量 Iyy：0.246 kg.M^2
Izz：11.828 kg.M^2
mm mm mm
质心 X: 27.012 坐标
Y: 16.304 Z: -109.156
后悬架系统模型调整前后如图5.3所示：
图5.3 后悬架系统模型调整前后对比
Fig 5.3 after suspension system model contrast before and after the adjustment
④ 车身系统
车身质心与惯量没有实测数据，则按照车身重量与配重状态进行计算，其详细情况见表5.4所示：
表5.4 整车满载状态 Table 5.4 the vehicle full load condition 重量 主轴 惯量 质心 坐标
1486.7 Ixx：597 Iyy：6206.976 Izz：6224.7 X: 1736.003 Y: -22.1668 Z: 374.62
kg kg.M^2 kg.M^2 kg.M^2 mm mm mm
⑤ 六分力系统
66
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
采用general force模拟轮心的六个分力； 采用general motion模拟轮心的垂向位移，六分力模板详见图5.4：
图5.4 六分力模板 Fig5.4 the WFT modle
5.1.2 多体模型的参数设置
① 柔性体阻尼设置
本多体模型中，后扭力梁为柔性体，需对其阻尼进行适当设置 根据工程经验，将扭力梁柔性体60HZ以下的阻尼设置为0.06,100HZ以上阻尼设置为0.8是，设置结果如下：
图5.5 柔性体阻尼设置
Fig 5.5 the damping Settings of flexible body
② 衬套参数调整
在疲劳载荷分解中，由于车辆运行的路况都比较恶劣，衬套经常会被压缩到极限，故必须对载荷分解模型的衬套参数进行修改，修改原则主要基于现有的衬套参数与衬套的结构尺寸，进行延伸。 衬套参数调整如下：
67
重庆大学硕士学位论文
实测摆臂前衬套X、Y方向橡胶厚度，以及Z方向的运动极限； 根据各方向现有刚度测试数据，拟合到极限位置，如图5.6和5.7所示； 根据工程经验，衬套各方向的阻尼值设置为0点刚度值的0.5%；其余衬套刚度曲线均按以上说明进行检查和调整。
图5.6 调整前后X&Y向线刚度曲线对比
Fig5.6 the X&Y line stiffness curve contrast before and after the adjustment
图5.7 调整前后Z向线刚度曲线对比
Fig 5.7 the Z axle line stiffness curve comparison before and after the adjustment
③ 静平衡调试
多体模型各参数调整、检查完成，并按测试时的重量信息进行配重，然后进行静平衡调试,调试目的为：
1) 检查模型装配的正确性； 将迭代所需的通道参数进行归零设置（用于与测试数据对比）。
2) 对比弹簧长度，由于实测为在车辆满载下用卷尺测量，存在一定误差，仿真数据与实测数据存在最大为15mm差距，说明仿真模型与实车模型的一致性很好； 3) 对比实测轮荷与仿真轮荷，最大差距35N，说明仿真模型与实车模型一致性很好。
68
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
图5.8 调整完成后的多体模型
Fig 5.8 the adjustment after the completion of the multi-body model
表5.5 多体模型与实车弹簧与轮荷参数对比
Table 5.5 multi-body model compared with real vehicle spring and the wheel load parameters
纵向 前悬架 后悬架
横向
弹簧长度(mm) 实测
仿真 3791.5 3781.2 5325.5 5346.8
3782.8 3773 5321.4 5311.6
200 200 180 180
轮荷(N) 实测
仿真 188.3 188.4 165.3 165.3
左 右 左 右
5.2载荷分解
5.2.1 虚拟迭代
① 虚拟迭代设置
在femfat中输入用前期建立的 spline ID 来定义的24个通道；输出通道36个，用前期建立的 request ID 来定义，如下表所示：
69
重庆大学硕士学位论文
表5.6 输入通道 Table 5.6 the input channel
激励 前左轮激励
样条名称 样条号
激励 后左轮激励
样条名称 样条号
SPLINE_Fx_fr_le 40 SPLINE_Fy_fr_le 41 SPLINE_Dz_voli
38
SPLINE_Fx_re_le 302 SPLINE_Fy_re_le 303 SPLINE_Dz_hili
300
SPLINE_TX_fr_le 46 SPLINE_TY_fr_le 47 SPLINE_TZ_fr_le 48
SPLINE_TX_re_le 308 SPLINE_TY_re_le 309 SPLINE_TZ_re_le 310
前右轮激励
SPLINE_Fx_fr_ri SPLINE_Fy_fr_ri
43 44
后右轮激励
SPLINE_Fx_re_ri SPLINE_Fy_re_ri SPLINE_Dz_hire
305 306 301
SPLINE_Dz_vore 39 SPLINE_TX_fr_ri 49 SPLINE_TY_fr_ri 50 SPLINE_TZ_fr_ri 51
SPLINE_TX_re_ri 311 SPLINE_TY_re_ri 312 SPLINE_TZ_re_ri 313
表5.7 输出通道 Table 5.7 the output channel
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
测试数据 Fx_FL Fx_FR Fx_RL Fx_RR Fy_FL Fy_FR Fy_RL Fy_RR Fz_FL
说明 六分力
序号 19 20 21 22 23 24 25 26 27
测试数据 My_RL My_RR Mz_FL Mz_FR Mz_RL Mz_RR
ACC_SPD_FL ACC_SPD_FR ACC_SPD_RL
说明
六分力
轴头加速度
70
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Fz_FR Fz_RL Fz_RR Mx_FL Mx_FR Mx_RL Mx_RR My_FL My_FR
28 29 30 31 32 33 34 35 36
ACC_SPD_RR DIS_SPR_FL DIS_SPR_FR DIS_SPR_RL DIS_SPR_RR ACC_BIW_FL ACC_BIW_FR ACC_BIW_RL ACC_BIW_RR
车身加速度 弹簧位移
② 虚拟迭代精度
本文把共振路3作为代表工况来分析，以24个六分力为迭代目标，经过8次迭代后，相对损失比接近1，满足0.5-2范围内的精度要求。在共振路3行驶时，理论为匀速行驶工况，驱动力矩对疲劳性能无影响，不考虑My，故在My的力矩的相对损伤对比中，比值为零。
图5.9 力的相对损伤比 Fig 5.9 the force relative damage
71
重庆大学硕士学位论文
图5.10 力矩的相对损伤比 Fig 5.10 the torque relative damage
左前轮Fx、Fy 、Fz、Mx、My、Mz的实车实测数据与迭代模型第8次响应数据对比如图5.11—5.16所示（黑线为实车测试数据；红线为第8次迭代数据 ）：
图5.11 左前轮Fx信号对比 Fig 5.11 the left front wheel Fx signal contrast
72
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
图5.12 左前轮Fy信号对比
Fig 5.12 the left front wheel Fy signal contrast
图5.13 左前轮Fz信号对比
Fig 5.13 the left front wheel Fz signal contrast
73
重庆大学硕士学位论文
图5.14 左前轮Mx信号对比
Fig 5.14 the left front wheel Mx signal contrast
图5.15 左前轮My信号对比
Fig 5.15 the left front wheel My signal contrast
74
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
图5.16 左前轮Mz信号对比
Fig 5.16 the left front wheel Mz signal contrast
通过实车实测数据与迭代模型第8次响应数据局部放大可知，两数据基本完全对应，满足精度要求。
5.2.2载荷提取
针对前期建立的部件接口点request，对底盘系统的8个部件进行载荷提取： ① 前悬架左摆臂：受到15个通道的载荷作用，其中摆臂前点的三个方向力与力矩如下图所示：
图5.17共振路3下摆臂前点载荷
Fig5.17 the front lower arm load from the 3rd resonance road
75
重庆大学硕士学位论文
② 前左转向节：受到18个通道的载荷作用，其中转向节与减震器安装点的三个方向力与力矩如下图所示：
图5.18 共振路3转向节与减震器安装点载荷
Fig 5.18 the knuckle and shock absorber installation point load from the 3rd resonance road
③ 前副车架：此处没有考虑副车架与转向系安装点载荷。受到60个通道的载荷作用，其中副车架与左摆臂前安装点的三个方向力与力矩如下图所示：
图5.19 共振路3副车架与左摆臂前安装点载荷
Fig 5.19 the auxiliary frame and left arm installation point load from the 3rd resonance road
④ 左转向横拉杆：横拉杆外点为球铰，故只受三个方向的力作用。受到9个通道的载荷作用，其中横拉杆外点的三个方向力如下图所示：
76
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
图5.20 共振路3横拉杆外点载荷
Fig 5.20 the Tie rod outer point load from the 3rd resonance road
⑤ 后悬左上连杆：受到12个通道的载荷作用，其中与车身安装点的三个方向力和三个方向力矩如下图所示：
图5.21 共振路3后悬上连杆与车身安装点载荷
Fig 5.21 the upper connecting rod of the rear suspension and the body installation point load
from the 3rd resonance road
⑥ 后悬左下连杆：受到15个通道的载荷作用，其中与车身安装点的三个方向力和三个方向力矩如下图所示：
77
重庆大学硕士学位论文
图5.22共振路3后悬下连杆与车身安装点载荷
Fig 5.22 the lower connecting rod of the rear suspension and the body installation point load
from the 3rd resonance road
⑦ 后悬后桥：受到60个通道的载荷作用，其中与左减震器安装点的三个方向力和三个方向力矩如下图所示：
图5.23 共振路3后悬后桥与左减震器安装点载荷
Fig 5.23 the rear axle of the rear suspension and the left shock absorber installation point load
from the 3rd resonance road
⑧ 后悬横向推力杆：受到12个通道载荷作用，其中与后桥安装点的三个方向力和三个方向力矩如下图所示：
78
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
图5.24共振路3后悬横向推力杆与后桥安装点载荷
Fig 5.24 the lateral rod of the rear suspension and the rear axle installation point load from the
3rd resonance road
5.3 底盘部件疲劳分析
本文主要对以下底盘部件进行疲劳分析:1）前悬下摆臂； 2）前悬转向节；3） 前悬副车架； 4）后桥； 5）后悬上斜拉杆；6）后悬下摆臂； 7）后悬横向推力杆。底盘各部件材料牌号由生产厂商提供，各材料对应的屈服强度与抗拉强度为国标规定值，具体见下表：
表5.8底盘各部件材料牌号表
Table 5.8 the material brand table ofchassis parts
部件
1
arm knuckle subframe upper link lower link track bar axle
20# 40Cr Q235 20# 20# 20# 45#
2 SAPH440
SAPH440
SAPH400
40Cr
所用材料牌号 3 SAPH440
79
4 SAPH400
5 SAPH370
6 QT500
重庆大学硕士学位论文
表5.9各材料对应参数（单位：Mpa） Table 5.9 the material parameters
材料牌号 20#
45#
40Cr Q235 QT500 SAPH370 SAPH400 SAPH440
≥370 ≥225
≥400 ≥255
≥440 ≥305
抗拉强度 ≥410 ≥600 ≥980 ≥375 ≥500 屈服强度 ≥245 ≥355 ≥785 ≥235 ≥320
由分析结果可知：
① 前悬下摆臂、转向节，后悬上斜拉杆、下摆臂、横向推力杆最大损伤值小于1，满足试验场1万公里疲劳路试；
② 前悬副车架最大损伤为1.6517，位于左端悬置衬套下板件与副车架上板的焊缝端部，存在一定的疲劳风险，需要对其进行优化，后文会专门介绍该优化过程；
③ 后桥最大损伤为24.92586，位于右上斜拉杆安装支架与后桥的焊缝端部，且损伤大于1的区域存在六处，存在一定的疲劳风险，后文会专门介绍该优化过程。
图5.25 前悬副车架疲劳分析损伤值
Fig 5.25 damage values from fatigue analysis for the subframe of front suspension
图5.26 后桥疲劳分析损伤值
Fig 5.26 the rear axle damage values from fatigue analysis
80
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
强化试验里程1万公里要求为：
① 按试验里程与实际道路里程计算循环次数，用于疲劳分析和台架试验程序谱目标；
② 单个大循环为8次F1-F5环道（5063*8=40504M），2次8字绕桩、1次倒车制动（约200M）， 1次倒车上坡、上山路、16.6%坡道、下坡、下山路（约1581M）；
③ 大循环次数：10000000/(40504+200+1581)=236.490，考虑实际行驶里程的误差，取整为240次，各路面详细循环次数见后表；
根据上面的计算，确定各路面循环次数如下表所示： ① F1-F5环道循环次数为1920次； ② 坡道性能路循环次数为240次； ③ 8字行驶为480次。
表5.10各路面工况循环次数计算
Table 5.10 the calculation of various road conditions cycles
路面 序号 工况 F1
1 2 3 4 5
F2
6 7 8 9
F3
10 11 12 13
铁轨路 振动路3 长波路 搓板路 车身扭转 卵石路 接缝路 斜坡路 路障路 大理石铺装 波形路
循环次数 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920
F5 路面 F4
序号 工况 14 15 16 17 18 19
坡道路 20
21 22 23
碎石路 拱形车道 砂石路 比利时正路 倒车制动 8字行驶 倒档上坡 上山山路 16.6%坡道 下坡、下山山路
循环次数 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 8*240=1920 1*240=240 2*240=480 1*240=240 1*240=240 1*240=240 1*240=240
60KM/H制动 8*240=1920 比利时铺装
8*240=1920
结构疲劳存在相应的统计特性，且与结构材料的S-N曲线、制造工艺、表面粗糙度等有着的密切的关系； 由于缺乏以上相应的影响参数，本次疲劳分析基于FEMFAT软件中推荐值进行计算。材料S-N曲线由FEMFAT软件根据材料屈服于抗拉极限进行拟合。在满载工况下进行仿真。
1) 摆臂疲劳分析中，最大损伤为0.0091＜1，满足试验场疲劳路试要求。
81
重庆大学硕士学位论文
2) 转向节疲劳分析中，最大损伤为0.00037＜1，满足试验场疲劳路试要求； 3) 上斜拉杆疲劳分析中，最大损伤为0.0118＜1满足试验场疲劳路试要求； 4) 后悬下摆臂疲劳分析中，最大损伤为0.0162＜1，满足试验场疲劳路试要求. 5) 后悬横推力杆疲劳分析中，最大损伤为0.1026＜1满足试验场疲劳路试要求；
6) 前悬副车架疲劳分析中，最大损伤为1.6517，位于左端悬置衬套下板件与副车架上板的焊缝端部，详见下图所示；
图5.27前悬副车架疲劳分析损伤值
Fig 5.27 the subframe of front suspension damage values from fatigue analysis
前悬副车架最大损伤大于1，存在一定的疲劳风险，需进行相应结构优化。将原结构中黄色板件延伸至与上板板件平行，如下图蓝色部分所示； 延伸后增加两点焊，位置如下图黑点所示； 延伸后相应增加焊缝，位置如下图红线所示。
图5.28前悬副车架原始结构与优化后对比
Fig 5.28 the subframe of the front suspension original structure compared with
the optimized ones
优化后损伤最大值为0.8439，位于左转向轴管安装支架与副车架焊缝端部，如
82
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
下图所示； 原结构中损伤最大值区域的损伤值由1.6517降为0.6332，如左下图所示；
图5.29前悬副车架优化后疲劳分解结果
Fig 5.29 the subframe of the front suspension fatigue results after optimization
优化后，副车架最大损伤小于1，满足试验场1万公里疲劳路试要求。 后桥疲劳分析中，最大损伤为24.92586，位于右上斜拉杆安装支架与后桥的焊缝端部。后桥损伤大于1的区域有6处，详见图5.37所示，存在一定的疲劳风险，需进行相应结构优化。
图5.30后桥疲劳分析损伤值
Fig 5.30 rear axle damage values from fatigue analysis
左右上斜拉杆安装支架延伸3cm，并驱动半轴套管焊接，详见左图蓝色增加
83
重庆大学硕士学位论文
区域；右侧横向推力杆安装支架直接延伸与缓冲块安装支架进行焊接，详见左下图蓝色增加区域，同时增加缓冲块安装支架与半轴套管的焊接，如图5.37红色线所示：
图5.31后桥结构优化
Fig 5.31 the rear axle structure optimization
将前期分析的风险区域定义为图5.38所示6个区域，优化前后的疲劳分析结果对比如表5.12所示：
图5.32后桥结构优化后疲劳分析结果
Fig 5.32 rear axle structure fatigue analysis results after optimization
表5.11疲劳分析结果对比
84
5 基于真实路谱的计算机疲劳耐久分析及优化
Table 5.11 fatigue analysis results contrast 风险区域
疲劳分析结果（损伤） 优化前 优化后 降低量
区域1 区域2 区域3 区域4 区域5 区域6
6.121 1.838 3.486 24.926 3.227 12.33
0.013 0.021 0.115 0.94 2.287 0.32
6.109 1.817 3.371 23.986 0.94 12.011
优化后，除区域5外均满足试验场疲劳路试要求，其他都已达到标准；区域5还需进一步优化。通过不断调整结构，最终区域5的损伤小于1，达到设计要求。
5.4本章小结
本章通过向ADMAS中建立整车的多体模型加载用前期所采集到的真实路载荷谱数据，利用虚拟迭代技术来提取各零部件接口点的载荷数据。然后再在此基础上在有限元软件中计算各底盘件的疲劳寿命，提出优化方案。
85
重庆大学硕士学位论文
86
6 总结与展望
6 总结与展望
汽车发展的百年历史中，各种应用技术不断推陈出新。汽车工程师们通过不断创新，在汽车的操控稳定性、动力性、燃油经济性、舒适性以及耐久性等方面取得了长足的进步。随着人们生活水平的日益提高，汽车已经从最开始的奢侈品转变成一种大众消费品。2014年国内的汽车保有量已经达到将近1.4亿。而就在就2013全国的汽车保有量也已达到1.37亿辆。这样算来，我国汽车从2003年的2400万辆增长到2013年的1.37亿辆的这近十年的时间里，汽车年均增加量为1100多万辆，保有总量增加了5.7倍。汽车数量占全部机动车比率达到.9%，比十年前提高了29.9%。
汽车消费市场竞争日趋激烈，国内各大生产厂商也不断加大研发力度，以期生产出更加价廉物美的汽车产品。面对消费者对汽车性能和质量方面提出的更加严苛的要求，每个汽车技术工作人员都应为此努力。
6.1全文总结
本文针对影响汽车产品质量最关键的因素——汽车耐久性能进行了研究。提出了基于真实路谱的汽车零部件多轴疲劳寿命开发的试验技术。本文主要完成了以下几个方面的工作：
① 利用的疲劳损伤理论来作为基础指导进行试验方案的设计，传感器的布置以及评估采集到的应力应变等信号的准确性。然后再用循环计数方法来对载荷谱进行统计分析，从中抽取有用的信息以备在后续基于应力应变的疲劳分析和设计中使用。系统学习和研究了整个疲劳耐久试验中需要用到的理论知识。
② 实地搭建了合适实车道路采集试验平台。通过eDAQ数采设备来采集各种传感器的试验信号。然后利用软件系统提供的数据处理功能模块来对采集的信号分类整理和后续分析处理。这样就可以得到质量较高的载荷谱数据，可以为后续疲劳寿命的计算打下良好的数据基础。
③ 设计完成了整车道路载荷谱采集试验的整个流程。试验过程包括道路载荷谱采集试验的工况确定、传感器的选配、试验场现场试验以及试验数据后处理。通过该试验，可以得到疲劳耐久分析所需要的载荷谱数据。再利用该数据进行汽车零部件多轴疲劳寿命开发。
④ 通过向ADMAS中建立整车的多体模型加载用前期所采集到的真实路载荷谱数据，利用虚拟迭代技术来提取各零部件接口点的载荷数据。然后再在此基础上在有限元软件中计算各底盘件的疲劳寿命，提出了优化方案。
87
重庆大学硕士学位论文
6.2工作展望
① 在进行试验场道路载荷谱采集试验之前，我们应该对目标用户实际使用路况与路段比例等情况进行系统的统计以确定试验场工况组合。保证试验场工况路段组合的载荷分布与用户实际路面的载荷分布的一致性。
② 还需要进行大量的典型路面的载荷谱采集试验研究，建立载荷谱数据库，为后续的疲劳研究奠定海量数据基础。这样就可以为新车型的开发提供原始的试验数据支持。
③ 本文由于条件和时间的只完成了基于真实道路载荷谱的虚拟迭代试验，并未进行台架迭代试验。在以后的工作中将完成道路试验、虚拟迭代以及台架迭代相融合的综合疲劳耐久试验方案。
④ 以后在轮胎模型更加完善的基础上，可以开发基于道路轮廓几何谱的疲劳耐久试验。这样可以极大的简化试验流程，节省试验时间。同时，该技术也有赖于道路载荷谱海量数据的积累来不断修正模型。
88
致 谢
致 谢
研究生的学习生涯是我人生的重要篇章。此段时光也在不断研究学习与充实自己的点滴之间悄然而逝，转眼又是毕业季。在这近三年的时光里，我得到了老师们的关怀与教诲，使我获益良多。同时，我也结识了许多的朋友，得到了许许多多来自他们的帮助。在这里我要感谢他们，感谢他们为我所做的一切！
研究生学习的最后一环是学位论文，它也是对我所学知识的综合运用能力的一次考验。在这次学位论文的制作过程，我不仅巩固和拓宽了理论知识，也加深了对理论联系实践的理解，它让我的综合能力得到了提升。同时，我也意识到研究生的学习不仅仅只是研究自己的专业领域的知识，也需要提升学习的能力。最后，还要将所学知识落到实处，投身实践。
这次能够顺利完成毕业论文，我首先要感谢我的母校---重庆大学。她给予了我最好的学习平台，带给我最好的老师，以及最优质的教育资源。在本次学位论文制作过程中，我最应该感谢的人是于今老师。他不仅给我以知识上的指导，同时也传授我做人做事的方法。从他那里我深刻体会到了学术研究要立足实践的道理。于老师严谨的治学之道和认真的做事方法，将会让我受用一生。此外，我的学位论文中所涉及的试验数据的完整性和准确性得益于中国汽车工程研究院在试验设备和技术指导方面的支持。感谢中国汽车工程研究院股份有限公司总体技术部的全体人员给予的无私帮助。
同时感谢黄国勤，刘飞老师的给予我的悉心照顾与指导。感谢王雪秋，易雪梅，李帅，王旭，马百尚，朱光辉、吴海燕、刘友贤、于亚鹏、杨雄、白建军、牟家旺、吴超宇，胡宇航、李垚等实验室的同门在学位论文制作过程中的大力支持与帮助。
最后，我也由衷的感谢各位专家、教授在百忙中抽出时间来评阅论文和参加我的答辩！
蔡 川
二O一五年四月 于重庆
重庆大学硕士学位论文
90
参考文献
参考文献
[1] [2]
孙华锋.汽车台架耐久性试验与道路试验相关性探讨[J]. 工程与试验，2009,49（2）:13-14. Japan Society of Mechanical Engineers. Standard method of statistical fatigue testing. JSME S002-1981，1981.
[3] American Society for Testing and Materials (ASTM). Standard practice for statistical analysis of linear or linearized stress-life (S-N) and strain-life (e-N) fatigue data. ASTM Standard, E739-91, 1990.
[4] 郦明，奥托.布克斯鲍姆，哈茨.罗华克，结构抗疲劳设计，北京，煤炭工业出版社，1987:1-287.
[5] Lee Yung-Li, Pan Jwo, Hathaway R B, et al. Fatigue Testing and Analysis Theory and Practice. Burlingtion : Elsevier, 2011, 76-88.
[6] Fairbairn, W. Experiments to determine the effect of impact, vibratory action,and long continued changes of load on wrought iron girders. Philosophical Transactions of the Royal Society, London 1, 18:311
[7] Gerber,H.Bestimmung der zulassigen Spannungen in Eisen-konstructionen.Zeitschrift des Bayerischen Architeckten and Ingenieur-Vereins 6, 1874:101 一110
[8] Schutz.W，Standardized stress-time histories—An overview，J.M.Potter，R.T.Watanabe，Develop of fatigue loading spectra，ASTM STP 1006，Philadepphia，ASTM Committee E-9on Fatigue and SAE Committee on Fatigue Design and Evalution，19:3-16.
[9] 孟少农 译. 零件疲劳设计手册. 人民交通出版社，1984.
[10] HAUGEN E B,WIRSCHING P H.Probabilistic fatigue design alternative to
miner‘scumulative damage rule. Proe.R & M SymP . 1973. [11] 高镇同.疲劳应用统计学[M].北京：国防工业出版社，1986.
[12] 熊峻江.结构疲劳可靠性设计的等损伤设计方法[J].北京航空航天大学学报，1999，
25(5) ： 5-557.
[13] 熊峻江，王三平，高镇同?疲劳寿命估计的能量法及其实验研究[J].力学学报，
2000,32(4)： 420-427.
[14] 李超.基于功率谱密度的疲劳寿命估算[J].机械设计与研究，2005,
21 (2)： 6-8
[15] 郭虎, 邓文华, 樊晓燕等. 汽车试验场可靠性试验强化系数的研究. 机械工程学报, 2004,
40(10):73-76.
[16] Ian M Austen, 林晓斌. 加速疲劳试验的疲劳编辑技术. 中国机械工程, 1998,9(11): 27-30. [17] Ensor D F, 林晓斌. 关联用户用途的试车技术. 中国机械工程，1998,9(11):24-26.
91
重庆大学硕士学位论文
[18] Kelly Jim, Kowalczyk Henri, Oral Hamid A. Track Simulation and Vehicle Characterization
with 7 Post Testing. SAE PAPER, 2002, 2002-01-3307.
[19] Suyog M P, Chandrakant M. Awate. Development of Accelerated Structural Durability Test
Program for a Mini-truck and its Components. SAE PAPER,2006, 2006-01-0085.
[20] Heyes P J, Dakin J, John C. The Assessment and Use of Linear Static FE Stress Analyses for
Durability Calculations. SAE PAPER, 1995, 951101.
[21] nCode International Limited. The nCode Book of Fatigue Theory. 1997 [22] LMS International. LMS FALANCES Theory Manual 2002.
[23] 孙凌玉, 吕振华. 利用计算机仿真技术预测车身零件疲劳寿命. 汽车工程，2001,6(23)：
3-410.
[24] 陈栋华，靳晓雄，周鉉，等.轿车底盘零部件耐久性虚拟试验方法研究[J].汽车工程，
2007，29 (11)： 998-1001.
[25] 唐应石, 张武, 段心林等. 基于整车动力学仿真的后桥壳疲劳寿命分析与改进. 汽车工
程, 2009, 31(2):114-117.
[26] 王显会，石磊.某特种车架在冲击载荷下的瞬态响应分析及疲劳寿命评估研究[J].汽车工
程，2009，31 (8)： 769-773
[27] Huang L P, Agrawal H, Kurudiyara P. Dynamic Durability Analysis of Automotive Structures.
SAE PAPER, 1998, 980695.
[28] 刘献栋，曾小芳，单颖春.基于试验场实测应变的车辆下摆臂疲劳寿命分析[J].农业机械
学报，2009, 40 (5)： 34-38.
[29] 朱才朝, 张伟敏, 乔莉等. 摩托车车架系统疲劳强度分析与寿命预估. 汽车工程, 2007,
29(10):900-904.
[30] 杜中哲.轿车车身结构及焊点的疲劳寿命分析与优化改进研究[D].上海：上海交通大学，
2006.
[31] 贺李平, 王国丽, 刘建勇等. 汽车减震器弹簧下座的疲劳仿真分析及结构改进. 北京理
工大学学报. 2011, 32(1):33-37.
[32] Lee Yung-Li, Pan Jwo, Hathaway R B, et al. Fatigue Testing and Analysis Theory and
Practice. Burlingtion: Elsevier, 2011, 76-88.
[33] Goodman J. Journal of Mechanics Appliced to Engineering. New York:Longmans, 19. [34] Miner M A. Cumulative damage in fatigue. Journal of Applied Mechanics,19，:159-1. [35] Manson S S, Freche J C, Ensign C R. Application of a double linear damage rule to
cumulative fatigue. Fatigue Crack Propagation, ASTM STP 415,1967:384-412.
[36] Miner,M.A,Cumulative damage in fatigue,Journal of Applied Mechanics , Vol . 67 , 1945 ,
92
参考文献
PP.A159 - A1.
[37] 陈玉琨译．疲劳试验方法手册[M]．北京：机械工业出版社，1983年，4月
[38] Dowling,N.E.,Mechanical Behavior of Materials:Engineering Methods for Deformation ,
Fract- ure , and Fatigue,2nd ed.,Prentice Hall,New York,1998. [39] Peterson,R.E.,Analytical
approach
to
stress
concentration
effects
in
aircraft
materials,Technical Report 59-507 ,U.S.Air Force-WADC Symposium on Fatigue Metals,Dayton,Ohio,1959.
[40] 王栓柱．金属疲劳[M]．福建科学技术出版社，1985年.
[41] Rice,R.C.,et al.(Eds.),Fatigue Design Handbook,3rd ed.,society of Automotive Engineers ,
Warre- ndale,PA,1997. [42] Bannantine,J.A.,Comer,J.J.,and
Handrock,J.L.,Fundamentals
of
Metal
Fatigue
Analysis,Prentice Hall,New York,1990.
[43] Collins,J.A.,Fatigue of Meterials in Mechanical Design – Analysis,Prediction,and
Prevention,2nd ed.Wiley,New York,1993.
[44] Dixon,W.J.,and Mood,A.M.,A method for obtaining and analyzing sensitivity data,Journal of
the American Statistical Association,Vol.43,1948,pp.109-126.
[45] American Socioty for Testing and Materials(ASTM),Standard practice for statistical analysis
of
linear
or
linerarized
stress-life(S-N)and
strain-life(e-N)fatigue
data,ASTM
STANDARD,E739-91,West Conshocken,PA,1998,pp.631-637.
[46] Adib,H.and Pluvinage,G.,Theoretial and numerical aspects of the volumetric approach for
fatigue life prediction in notched components,International Journal of Fatigue,vol . 25,2003 , pp.67-76
[47] Wirshing,P.H.,Statistical summaries of fatigue data for design purposes,NASA Contract
Report 3697,N83-29731,1983.
[48] Japan Society of Mechanical Engineers,Standard method of statistical fatigue testing,JSME S
002-1981,1981.
[49] Shen,C.The statistical analysis of fatigue data,Ph.D.Thesis,Department of Aerospace and
Mechanical Engineering,Univercity of Arizona,1994.
[50] 郦明，郭鲁比希奇V，费雪皑G，等．汽车抗疲劳设计[M]．合肥：中国科学技术大学
出版社，1995
[51] 段虎明 ,石锋 , 谢飞 ,等 路面不平度研究综述[J]
.振动冲击,2009 ,28(9):95-101.
[52] 韩毅, 杨殿阁,连小珉，基于路形测量的车载道路谱检测仪研究与实现[J]中国汽车工程
学会年会论文集 ,2009:770-774.
93
重庆大学硕士学位论文
[53] Zhu X Q, Law S S. Dynamic axle and wheel loads identification : laboratory studies
[J].Journal of Sound and Vibration,2003,268(5):855-879. [] GB/T 7031 -2005 ,机械振动一道路路面谱测量数据报告[S].
[55] 赵晓鹏，冯树兴，张强，等.越野汽车试验场载荷信号的采集及预处理技术[J].汽车技
术，2010 (9) ：38-42.
[56] 宋勤，姜丁，赵晓鹏，等.道路模拟试验载荷谱的采集、处理与应用[J].仪表技术与传感
器，2011 (3) ： 104-106.
[57] 王.MSC. Fatigue疲劳分析实例指导教程[M].北京：机械工业出版社，2009.
94
基于真实路谱的汽车疲劳寿命开发试验技术
作者：
学位授予单位：
蔡川重庆大学
引用本文格式：蔡川 基于真实路谱的汽车疲劳寿命开发试验技术[学位论文]硕士 2015
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容
Copyright © 2019- oldu.cn 版权所有 浙ICP备2024123271号-1
违法及侵权请联系：TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com
本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务