基于青藏线实测载荷的半挂车疲劳寿命预测.pdf
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1、第32 卷第3期2023年9月计算机辅助工程Computer Aided EngineeringVol.32 No.3Sept.2023文章编号:10 0 6-0 8 7 1(2 0 2 3)0 3-0 0 2 0-0 6D0I:10.13340/j.cae.2023.03.004基于青藏线实测载荷的半挂车疲劳寿命预测徐刚,周心悦,暴文帅(1.同济大学汽车学院,上海2 0 18 0 4;2.宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海2 0 190 0)摘要:为研究某款主流半挂车型的耐久性能,在青藏线上实测关键加速度、位移、应变信号,分析得到该线路中对车辆疲劳寿命影响较大的路段。建立半挂车整车虚拟试验
2、台架,用青藏线实测轴头及鞍座处加速度信号进行虚拟选代,得到台架驱动信号,导出车身外载荷激励。使用激励信号计算车身及关键位置焊缝的疲劳寿命。结果表明:用实测道路载荷与虚拟试验相结合来分析车辆疲劳寿命的技术路线可行。基于该方案计算得到的半挂车疲劳寿命满足设计需求。关键词:载荷谱;半挂车;疲劳;焊缝疲劳;虚拟试验;虚拟迭代;伪损伤中图分类号:U467.18;U 46 9.53Fatigue life prediction of semi-trailer based onmeasured load on Qinghai-Tibet routeXU Gang,ZHOU Xinyue,BAO Wenshu
3、ai?.2文献标志码:B(1.School of Automotive Studies,Tongji University,Shanghai 201804,China;2.Central R&D Center,BaoShan Iron&Steel Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)Abstract:To study the durability performance of a mainstream semi-trailer body,a real road test on theQinghai-Tibet route is carried out to measu
4、re the key acceleration,displacement and strain signals.Thesections of the route which have a greater impact on the semi-trailer fatigue life are identified.After that,a virtual test bench for the semi-trailer is established.Using the measured acceleration signals at the axlehead and saddle,virtual
5、iterations are carried out to obtain the drive signals for the rig and derive theexternal load excitation for the semi-trailer body.Finally,the fatigue life of the body and its seam weldsis calculated.The results show that it is feasible to analyze vehicle fatigue using the technical route ofcombini
6、ng the actual road measurement with the virtual test.The fatigue life of semi-trailer and welds oncritical position calculated based on this scheme meets their durability design requirements.Key words:load spectrum;semi-trailer;fatigue;weld fatigue;virtual test;virtual iteration;pseudo damage最大允许总质量
7、的常规车型,也是我国中长途公路0 引 言运输的主力车型,市场对半挂车轻量化设计水平的在绿色低碳发展的时代大背景下,轻量化是汽要求也愈发严格。采用升级材料和优化结构实现轻车设计研发过程中的一个重要议题。半挂车是我国量化,是半挂车车身设计的主要手段。伴随着材料收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 3修回日期:2 0 2 3-0 4-19作者简介:徐刚(198 3一),男,四川绵阳人,讲师,博士,研究方向为汽车试验学,(E-mail)xg_http:/cae ;smucae 第3期和结构的变化,新设计的半挂车耐久性验证问题也更加重要。以往这种基于经验或静载设计进行的半挂车新车型开发,通过高开发成本、
8、长迭代周期的样车路试来验证疲劳性能,显然会降低新车型的市场竞争力。通过开展虚拟耐久性试验,能够有效减小开发周期和降低成本。目前,与半挂车虚拟试验相关的研究,主要集中在基于多体动力学模型和虚拟标准路面谱或工况法进行车身载荷及疲劳寿命预测上。李楠等通过提取半挂车多体动力学模型在虚拟H级路面行驶时车架上承载面的载荷,预测车架疲劳寿命;何家兴等2 基于减振器极限工况、制动工况,计算空气悬架支撑梁应力分布后,对其疲劳寿命进行预测;韩鲁明31基于半挂车1/2 振动模型求解时域激励信号,并通过半挂车多体动力学模型,计算出车架外载荷;慧超4 通过应变片和实车道路试验的方法,得到时域疲劳寿命计算的载荷谱输人。国
9、外研究方面:PAUWELUSSEN等5 从实测数据中得到典型载荷数据,并将其作为半挂车疲劳寿命计算依据;PENAZ等6 仿真半挂油罐车以不同车速通过虚拟波浪路面时的响应,并计算其车身应力;SCHWANKE等7 在半挂车板簧上布置应变片,并实测其在高速和非铺装路面的载荷,为开展板簧加速耐久试验提供实际使用条件下的数据。在预测半挂车疲劳寿命时,其载荷谱输入应能反映用户的实际使用环境,使疲劳寿命计算结果更加准确。但是,上述研究文章较少探讨载荷谱输入与中国用户实际使用环境间的关系。本文从半挂车道路实测载荷出发,通过合理布置传感器并在青藏线上开展道路试验,基于实测载荷数据开展虚拟试验,对半挂车结构及焊接
10、进行疲劳寿命预测,验证该设计满足需求。1半挂车车身静力学分析本文研究基于国内市场主流的仓栅半挂车车型,该车型最大设计总质量40 t,车身轮廓尺寸为13m(长)2.55m(宽)1.8 m(高),底盘采用三轴并装气囊悬挂,见图1。图1三轴气囊悬挂仓栅半挂车cae ;smucae 徐刚,等:基于青藏线实测载荷的半挂车疲劳寿命预测路试载荷谱数据采集根据半挂车服役数据统计,青藏线是最易发生疲劳故障的行驶区域。因此,路试载荷谱采集区段选择青藏线的格尔木至拉萨段(见图3),全长12 0 0km。测试区段平均海拔40 0 0 m以上,途经冻土区域,路面坑洼严重,典型路面见图4。安多人出雁石坪48004713沱
11、沱河扎西半岛4.533五道梁4415西大滩4.750那曲4.450当雄羊八井4200422095本文的路试数据采集采用应变、位移和加速度等3种传感器,数据采集系统为LMS SCADAS。在车身静力分析的热点处布置应变片(花),实车采集这些位置上的应变信号。考虑到整车虚拟台架模型中的驱动输人和后期的信号迭代及监测,还需采集相关位置的位移和加速度信号。测试传感器的布置21在进行新车型路试载荷谱采集和疲劳寿命分析前,需要确定新车型的疲劳热点,以便合理布置测试传感器,因此先通过弯曲、前扭、后扭、转弯等4种典型经验工况的静力学分析,定位疲劳热点可能出现的位置,见图2。(a)牵引座三角加强板根部(b)牵引
12、座垂向腹板焊缝处(c)车身变截面位置图2 部分车身疲劳热点位置2路试载荷谱数据采集及处理2.14110M2815拉萨3658图3路试载荷谱采集区段,mhttp:/格尔木22见表1、图5和6。计算机辅助工程变化。因此,本文采用雨流计数和伪损伤对本次路试数据进行相关分析。2023年RBAOSTEL创享改变生活图4青藏线典型路面表1测试传感器布置情况测量点传感器类型轴头加速度传感器鞍座加速度传感器车架中部、车架后方加速度传感器空气弹簧位移传感器潜在危险点应变片(花)(a)牵引座左右侧加速度传感器口(b)车桥轴头加速度传感器图5加速度传感器(部分展示)图6 位移传感器(部分展示)在路试过程中,为保证测
13、试数据的安全性,将1200km测试路段的测试数据按时间先后分成31份进行保存,共采集11GB数据。如图7 所示为测试车辆翻越昆仑山的测试场景。2.2路试载荷谱数据处理对随机载荷的统计主要采用幅值域统计计数法或功率谱法,疲劳寿命的研究主要针对载荷幅值的http:/图7 测试车辆翻越昆仑山采集得到的原始数据通常包含各种毛刺和噪声信号,需进一步通过数据预处理,使其能够用于后续的计算和分析。本次数据预处理工作主要包括去零飘、去趋势项、去毛刺、低通滤波等,这些工作大部分可以通过成熟的信号处理软件(如LMS_Tecware)完成。其中比较复杂的是毛刺去除,文献8 展示难以通过全自动化的工作流去除毛刺的案例
14、,并给出对于汽车耐久性试验中多达数十个通道、上百公里里程的数据的迭代去毛刺方法:(1)计算一些简单的统计值(最小值、最大值、平均值、RMS等),并检查这些值是否合理;(2)挑选出统计值中的可疑信号,通过可视化方式检查这些数据;(3)如果这些信号有问题,可应用文献8 中的方差滤波或统计滤波方法,调整选取合适的参数以获得合理的结果;(4)若调整参数后的滤波器对可疑信号段有良好的去毛刺效果,则将其应用于整个数据集;(5)对修正后的数据集重复第一步,直至不再发现可疑统计值。在实际数据处理中,未去除的毛刺可能会在伪损伤计算时引入明显误差,导致该信号段的伪损伤值显著大于其他信号段,对后续工作造成误导。本文
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