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汽车实用技术 2 0 1 7 年第4 期 设计研究A U T O M O B I L EA P P L I E DT E C H N O L O G Y 2 0 1 7N 0 4 1 0 1 6 6 3 8 j c n k i1 6 7 l一7 9 8 8 2 0 1 7 0 4 0 3 0 E x c e I 在车辆可靠性试验中的应用 张建峰 ( 浙江吉利汽车研究院有限公司，浙江杭州3 1 1 2 2 8 ) 摘要：文章介绍如何使用通用办公软件e x c e l建立道路试验匹配模型，应用此模型实现汽车道路试验与试验场试 验之间匹配关系的转换。己满足损伤相等、幅值范围相等同时具有最低的试验成本。使用该方法可完成车辆可靠耐 久性试验规范开发、外来试验规范证优化，高效地开展车辆可靠性试验验证。 关键词：线性规划；匹配；可靠性；建模 中图分类号：U 4 6 7 3文献标识码：A 文章编号：16 7 1 7 9 8 8 ( 2 0 1 7 ) 0 4 8 9 0 3 E x c e lint h ea p p lic a t io no f t h er e lia b m 姆t e s t 动a n gJ ia n f e n g ( G e e lyA u t o m o b ileR e s e a r c hh ls t im t e ，z lle j ia n gH a n g 出o u31 12 2 8 ) A b s t r a c t ：h 1t h isp a p e r h o wt ou s ec o m m o no 伍c es o 胁a r eE X C E Lt ob u ildr o a dt e s tm o d e l，印p ly iI lgt h ism o d e l，t 1 1 e r e a liz a t io no f a u t o m o b iler o a de x p e r im e n ta n df ie ldt e s tm a t c h in gr e la t io nb e 觚e e nc o n V e r s io n M e e t in gd 锄a g ee q u a l、r 狮g e e q u a l a tt lles 锄eh a sa1 0 wc o s to fe x p e r im e m U s in gm ism e m o dc a nc o m p le t er e lia b ilit yt e s t 、s t a I ld a r dd e v e lo p m e n t ， e 佑c ie n tt oc a r r yo u tt ller e lia b ilit ye x p e r im e m K e y w o r d s ：L in e a rP m g r a m m in g ；M a t c h in g ；R e lia b n it y ；M o d e lin g C L CN o ：U 4 6 7 3D o c u m e n tC o d e ：AA r t ic leI D ：1 6 7 1 - 7 9 8 8 ( 2 0 1 7 ) 0 4 - 8 9 - 0 3 刖置 可靠的好坏往往是消费者在长时间的使用过程中慢慢地 体现出来的，而对于产品开发来说，不可能完全按照用户的 使用工况进行一比一再现测试。如何准确、快速的模拟出用 户的实际使用工况，在较短的时间内掌握车辆的可靠性能， 是可靠性试验必须考虑的过程和环节。一旦我们掌握了可靠 性试验的核心技术，就可以开发适合我国国情的可靠性耐久 试验规范或对外来试车场的试验规范进行移植和转换，就可 以节省数百万的费用和数十年的时间，使自主研发的基础迅 速的提升到一个新的高度。 目前，业界关于用户和试验场之间的关联计算普遍使用 的商业疲劳分析软件来进行。其核心过程是：将采集到的用 户典型工况下的随机信号通过雨流计数转换成应力循环信 作者简介：张建峰，就职于浙江吉利汽车研究院有限公司。 号，然后根据材料的s N 曲线( 实际过程中由于是做相对损伤 对比，所以曲线是根据经验创建的) ，计算在这种应力循环 作用下的材料寿命，并转换成损伤值，再根据理论( 疲劳损 伤叠加理论) 将所有的应力循环造成的损伤进行累加，得到 总体损伤值或运用上述方法对目标试车场试验规范下的测试 信号进行处理就得到了目标雨流图和目标损伤值；使用同样 的方法对配备试车场各种路面下的测试信号进行处理就得到 了匹配路面的雨流图和匹配路面的损伤值，通过其匹配模块， 使组合后的匹配损伤值与目标损伤值一致，这样确定下来的 匹配路面组合就成为新试车场的试验规范，这个规范与用户 使用工况或目标试车场的试验规范对于样品的损伤是保持一 致。这只是初步完成了用户对试验场或试验场之间的等效转 化。剩下的就是根据经验和感觉来调整匹配的组合方案以期 达到比较优化的结果。因此说该匹配模块具有以下缺点： 对于用户来说，该模块是黑匣子件，提供了几种匹配算 法，各种算法之间结果差异很大，实际使用过程中用户不清 2 0 1 7 年第4 期 张建峰：E x c e l在车辆可靠性试验中的应用 如何选择。 为保证目标路面和匹配路面具有相同的极值， 校验。 依据不同的算法可制订多个试验场试验规范， 定哪个是最优方案。 需要人工 但无法判 匹配结果的检验标准用户不知道或不清楚。 为解决上述问题，本方法采用如下技术方法： 匹配路面与目标路面的偏差的平方和最小，保证匹配结 果具有相同的极值。 路面选择函数和路面循环数的乘积称为效能，使效能取 最小值保证试验成本和费用最低，且效率最高。 依据工程经验，通常认为测量结果在目标值在2 倍标准 差即 一2 ，2 区间内，置信概率为9 5 条件下是可靠的、有效 的，依此作为验收标准。转换为验收标准是相对损伤比的比 值位于 O 5 ，2 区间内。 相对损伤比值的线性化处理方法，解决损伤比值在 O ， 1 之间的非线性问题。 该模型对变量的个数无限制，根据需要随意增减。 应用本方法，可以不必购买专用的匹配分析软件或模块， 成本低。 本方法建立的规划模型及约束条件具有概念清晰、目标 明确、通用性强适用于所有车辆的可靠性试验规范开发及试 验规范优化。 本技术方案使用通用办公软件e x c e l中的线性规划功能 进行求解。所谓规划求解就是在一定的约束条件下，对管理 系统中的有限资源进行统筹规划，为决策者提供最优方案，以 便产生最大的经济和社会效益。规划求解可以解决数学、财务、 金融、经济、统计、优化等诸多实际问题。使用该功能用户不 必编程或经过特使培训就可以对自己定义的规划问题进行求 解，或者对同一问题试用不同方案进行规划求解和比较，使用 户很容易获得所需要的最优方案。具体实现方法如下： 1 、如何在E x c e I 中的使用规划求解 在M ic r o s o f tE x c e l2 0 1 0 中使用“规划求解”首先要安 装，“规划求解”功能模块。其安装方法如下： 打开e x c e l选项卡，选择加载项，点击“转到”按钮， 出现加载宏对话框，勾选“规划求解加载项”最后点击“确 定”按钮返回政c e l主界面。 主界面中点击“数据”菜单，就可以看到“规划求解” 按钮。 2 、规划求解模型建立 2 1 决策变量确定 通常情况下，车辆行驶的道路种类是确定的几种，在一 定工况下，每种道路造成的损伤是随机变量，对于随机变量 通常采用数学期望对比其相互关系，而数学期望是一确定值。 要完成车辆的耐久性考核只能是选择车辆行驶的道路种类和 行驶里程。因此确定“道路选择”和“循环次数”两个参量 描述车辆的耐久性指标。 2 2 目标函数确定 我们知道若要考察、匹配两个试验场之间或试验场与用 户之间的等效关系，其评判标准是目标试验场和匹配试验场 之间在相同位置的损伤相等( 即其损伤的比值等于1 ) 。通 过研究发现损伤比在 O ，1 之间存在非线性关系，为了便于 比对必须消除这种非线性。设i号通道相对损伤比值的目标 值为y i，实际相对损伤比值为x i，线性化后的相对损伤比值 误差为e i则有： e i= x i y i x i ( 1in i e i= 一( 1 x i y i) x i ( 0 1 ) 若设目标的损伤为1 ，则在按下式处理 e i= 0 x i= 1 e i= ( 0 5 + 0 5 木 ( ( x i 1 ) a b s ( ( x i 1 ) ) ) 术( x i一1 ) 一( 0 5 一O 5 爿c( ( x i一1 ) a b s ( ( x i一1 ) ) ) 半( 1 x i 1 ) x i1 完成损伤比的线性化处理，则不同的损伤比值对于损伤 比值为1 的误差是等效的。计算结果如下所示： 表1 x i0 2O 2 5O 3 3O 512345 刨 - 4 3 2 一lO1234 对工程试验一般要求测试精度在目标值要求的2 倍标准 差之内，因此转换为验收标准对应的损伤比为 O 5 ，2 。 为了快速高效地完成产品质量鉴定，在速度一定的条件 下，选择数种典型路面代替客户的实际工况进行耐久试验。 因此，定义路面选择函数f ( i) 和该路面循环次数N ( i) 的乘积 为效能函数。效能最小，效率高，成本低。 残差表示测量值和真值的差异程度，残差越小，测量 值越接近真值。在此使用残差的平和评价其与真值的相似程 度。 综上所述建立一下目标函数及约束条件。 N ( i) l正整数 e i 0 5 实数 e i2 实数 f ( i)取值O 、1 2 3 规划模型在e x c e I 中的实现 首先在新建e x c e l文件，把来自不同工况下损伤数据复 制粘贴到相应的列，建立规划问题分析矩阵，行表示车辆行 驶的路面种类 1 n ，列表示在该路面下不同位置的损伤值 数量从 1 m ，其中用和n 为正整数。矩阵格式如下所示。 9 1 汽车实用技术2 0 1 7 年第4 期 表2 在复制一个完全一样的矩阵，并在第三行插入3 个空白 行，分别命名为路面选择函数f ( i) 、循环函数N ( i) 、效 能函数f ( i) 半N ( i) 。令函数的初始值为1 。改造后形式 如下： 衷3 涵麴卷疆霹罄疆匿强蟊匿翼舞瓣劈燃 在合适的位置建立上述目标函数及约束条件： 表4 l# 【二二 手芒 2 蠢 。五z itFz 溢。 启动e x c e l中的规划求解模块，选择对应的条件进入相 应的位置，勾选是约束的变量为非负数，其它采用默认，单 击求解按钮，过一段时间，便可得到最优解。 _ # “融 “ 4 酾 襄鬻舞辫 塞童餐 k n a _ m _ j ：ii馘j M “ 二j ! t 一， 埘嚏6 4 岫 同毫两I 蠡。一一l 碧嘎期嚏嘲嬲嘲 峨晶_ 翮即嘲嘲。_ 睫阳忡牲斛 蕊、蕊i蕊一a f = 翁赫乏】；：_ 。五H i_ 图1 某试验车型使用某试验场道路试验规范共2 5 种路面，循 环行驶8 3 2 0 次，验证4 7 个关键部位的耐久性指标而使用本 模型在确保同样4 7 个关键部位耐久性指标相等的条件下，只 需要选择6 路面，循环行驶2 5 5 0 次。可见本方法能显著提高 效率，降低试验成本，缩短研发周期。 本方法主要是把工程设计