柴保明等

摘 要：首先證明用戶道路疲勞載荷譜分布服從某種分布（如正態(tài)分布）的隨機(jī)過程；根據(jù)汽車用戶市場調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)和少量用戶道路載荷譜樣本計算其相對損傷并作排序；然后通過服從某種分布的隨機(jī)抽樣試驗來擬合用戶道路疲勞載荷譜分布的統(tǒng)計特征，最后給出涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜近似值。最終應(yīng)用到所有車型的耐久性規(guī)范制定中——承載系、傳動系、轉(zhuǎn)向、制動。

關(guān)鍵詞：汽車；用戶關(guān)聯(lián)；載荷譜

1 概述

汽車試驗場與用戶關(guān)聯(lián)性研究中，涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜確定，對問題研究尤為關(guān)鍵。因此需要研究在擁有汽車用戶市場調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)和少量用戶道路載荷譜樣本情況下，怎么準(zhǔn)確預(yù)估汽車市場用戶道路載荷譜分布，依此確定涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜國內(nèi)對此問題，還沒有公開出版的論文和資料。LMS公司疲勞軟件Tec-Ware、nCode公司和國內(nèi)其它汽車廠家對此問題處理尤為簡單：只把用戶市場調(diào)查統(tǒng)計數(shù)據(jù)（如用戶不同路面百分比）進(jìn)行簡單的數(shù)學(xué)平均數(shù)計算或簡單的隨機(jī)抽樣。美國福特公司，雖然利用蒙特卡洛方法和金屬疲勞損傷理論，擬合仿真汽車市場用戶道路載荷譜分布，但是在隨機(jī)數(shù)利用過程中，福特公司沒有考慮，用戶車輛載荷損傷的統(tǒng)計學(xué)分布，而是簡單利用服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)，去擬合仿真汽車市場用戶道路載荷譜分布。汽車用戶實際使用車輛的疲勞損傷，很難確定。原因有汽車用戶地區(qū)分布分散，駕駛員操作風(fēng)格習(xí)慣千差萬別，各地汽車行駛的路面特征也不同。成本與時間的限制，試驗采集車輛很難做到詳盡的用戶道路載荷譜測量。

2 蒙特卡洛方法

3 金屬疲勞損傷

金屬疲勞損傷是由于應(yīng)力-應(yīng)變的疲勞滯回循環(huán)而引起的損傷源附近材料的反復(fù)塑性變形。每個疲勞滯回循環(huán)都給構(gòu)件造成一定量的疲勞損傷，整個時域載荷歷程總損傷可通過累加每個循環(huán)引起的損傷得到。

Dr為相對累計損傷，ni 為試驗中雨流計數(shù)統(tǒng)計第 級試驗載荷 Si（加速度g、位移mm、微應(yīng)變）作用下的循環(huán)數(shù)，dist為每個試驗樣本對應(yīng)對的行駛里程因子。

4 用戶市場調(diào)查

在國內(nèi)同類車型市場進(jìn)行汽車用戶實際使用情況市場調(diào)查，分4種路面（每種路面的行駛里程百分比），2種載荷（滿載質(zhì)量和空載質(zhì)量）進(jìn)行調(diào)查，共得到1360份有效統(tǒng)計表。應(yīng)用蒙特卡洛方法中的直接抽樣法，生成服從平均分布的隨機(jī)數(shù)，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換為在（0，1）區(qū)間上服從正態(tài)分布的隨機(jī)數(shù)。使得每一個隨機(jī)數(shù)與每一份用戶調(diào)查數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，如表1。

在全國典型地區(qū)路面上，用已安裝完傳感器的采集車進(jìn)行模擬汽車用戶使用情況的道路載荷樣本采集。采集過程中，分4種路面，2種載荷（滿載質(zhì)量和空載質(zhì)量）進(jìn)行試驗采集，共得到332份有效樣本。在車輛主要部件，布置安裝不同種類的傳感器，如表3。利用數(shù)據(jù)采集儀記錄各測點時域信號，如圖1，部分典型路面后橋微應(yīng)變信號樣本圖。

6 用戶道路疲勞載荷譜樣本分布假設(shè)檢驗

以后橋微應(yīng)變?yōu)槔紫妊芯坑脩舻缆份d荷譜樣本符合何種分布，然后根據(jù)此分布生成對應(yīng)的隨機(jī)數(shù)，利用蒙特卡洛方法進(jìn)行用戶道路載荷譜分布擬合仿真。用同樣的方法擬合仿真其它測點用戶道路載荷譜分布。

同樣可以證明其它不同測點、不同載荷、不同路面的用戶載荷譜樣本額定公里損傷也服從正態(tài)分布。

8 用戶道路疲勞載荷譜分布擬合仿真

由于用戶的不同載荷、不同路面道路疲勞載荷譜服從正態(tài)分布，在應(yīng)用蒙特卡洛方法擬合仿真時，用計算機(jī)產(chǎn)生服從正態(tài)分布的偽隨機(jī)數(shù)。利用用戶調(diào)查數(shù)據(jù)、采集車輛所采集的用戶道路載荷譜樣本和偽隨機(jī)數(shù)擬合仿真用戶道路疲勞載荷譜分布。

圖3為程序輸出的用戶不同載荷、不同路面的道路疲勞載荷譜樣本的擬合仿真曲線。

涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜確定

在上圖3中，取90%概率所對應(yīng)的雨流循環(huán)分級數(shù)據(jù)作為后橋微應(yīng)變目標(biāo)疲勞載荷譜，如圖4和表5，其中忽略小幅值對相對損傷計算的影響。

其它位置測點，同樣的方法和過程擬合仿真概率分布，并最終確定90%概率所對應(yīng)的雨流循環(huán)分級數(shù)據(jù)作為其目標(biāo)疲勞載荷譜。

8 結(jié)束語

文章依據(jù)蒙特卡洛方法和金屬疲勞損傷理論，完成了某車型用戶道路疲勞載荷譜分布擬合仿真，最后確定了涵蓋90%汽車用戶使用情況的載荷譜疲勞滯回循環(huán)雨流分級數(shù)據(jù)。為某車型可靠性考核提供了汽車用戶市場的疲勞載荷譜目標(biāo)數(shù)據(jù)，可以推廣到其它車型耐久性規(guī)的范制定。

參考文獻(xiàn)

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[4]林曉斌.關(guān)聯(lián)用戶用途的汽車技術(shù)[J].中國機(jī)械工程，1998.

作者簡介：柴保明（1964，3-），男，博士，教授，現(xiàn)任河北工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院，副院長。

*通訊作者：靳德誠（1987，8-），男，河北邯鄲人，在讀研究生，現(xiàn)就讀于河北工程大學(xué)，研究方向：機(jī)械電子工程。