（光学工程专业论文）轿车车头六通道多轴道路模拟试验加载谱研究.pdf

同济大学博士学位论文 摘要 本研究结合实际开发工作的需要，应用拥有的试验车辆、试验设备、测量仪器 和标准的s n 曲线，开发出通过远程参数控制在六通道多轴随机振动台( m a s t ) 上实 现安装在车头内零部件的室内道路模拟试验技术。汽车室内道路模拟试验技术是产 品开发必不可少的试验手段，是具备产品自主开发能力的标志之一，利用此项技术 能正确地、快速地模拟试件在试车场强化道路上的振动特性，大大缩短产品的开发 周期，降低开发成本，提高开发成功率。 通过车身结构模态分析和结构静态刚度分析，结合六通道多轴随机振动台的结 构特点，并考虑试件在车头中的安装情况，确定了车头台架试验模型。 在分析了强度耐久性设计目标后，选择了上海大众试车场强化路作为室内模拟 试验信号采集道路，作为比较对海南试车场4 号可靠性路也进行了信号采集；另外 从以下几个方面综合考虑来选取测点( 局部危险区域和模拟控制点位置) ：1 车头 在整个车身上可能的截断部位2 车头在试验台上的约束条件及装夹方式3 m a s t 试验台的几何参数和特性4 拟研究零部件的安装位置和受力特点。 在进行道路采集数据处理时，首先对测量数据进行预处理及检验、对测量精度 进行分析、然后进行时域、频域和疲劳损伤的统计特性值分析；在研究和制定台架 试验加载谱时，首先通过编辑和处理获得期望信号，其次通过远程参数控制软件r p c i ，在m a s t 六通道多轴模拟试验台上进行系统频响函数测试、根据期望信号和频 响函数计算原始驱动信号，然后通过迭代，获得驱动程序，即台架试验加载谱；最 后对编制出的台架试验加载谱的模拟质量进行了分析和验证。 最后以安装在车头中的蓄电池支架为例，根据模拟计算和试车场道路试验实际 损伤情况确定局部危险区域和模拟控制点位置，通过疲劳损伤统计值对比和实际损 伤对比来检验模拟质量；在进行疲劳损伤分析时，采用本研究提出的工程名义应力 法，即标准的s n 曲线、雨流计数法和m i n e r 修正理论进行疲劳寿命估算。 六通道多轴模拟试验加载谱研究，本文在国内是第一次。 关键词：汽车零部件室内道路模拟试验疲劳试验方法疲劳寿命估算试验标准制定 第 1页 同济大学博士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t 1 nt h i sa r t i c l et h ei a b o r a t o r yr o a ds i m u l a t i o n t e c h n i q u ec o n t r o l l e db yr p co nm a s tf o rt h ec a rf r o n t - b o d yc o m p o n e n t st e s ti s d e v e l o p e db ym e a n so fe x i s t i n gt e s t i n gc a r s 。t e s te q u i p m e n t m e a s u r i n g i n s t r u m e n t s s t a n d a r ds nc u r v e s t h et e c h n i q u eo fi a b o r a t o r yr o a ds i m u l a t i o nt e s t i st h en e c e s s a r ym e a n sa n do n eo ft h es y m b o l so fa u t o m o t i v e p r o d u c t d e v e l o p m e n t w i t h t h i sk i n do f t e c h n i q u e t h e v i b r a t i o no fc a rf r o n t b o d y c o m p o n e n t so nt h ep r o v i n gg r o u n dc a nb er a p i d l ya n dw e l ls i m u l a t e d t h ep e r i o do f d e v e l o p m e n tc a nb es h o r t e n e d t h et e s t i n gc o s tc a nb es a v e da n dd e v e l o p m e n t s u c c e s sr a t ec a nb ei m p r o v e d t h et e s tr i gm o d e lo ft h ec a rf r o n t b o d yc o m p o n e n t si sc o n f i r m e db ym e a n so f c o m b i n i n gc a rb o d ys t r u c t u r a im o d ea n ds t r u c t u r a is t a t i cr i g i d n e s sa n a l y s i sa n dt h e s t r u c t u r a ic h a r a c t e r i s t i co fm a s t , a sw e l ia st h em o u n t i n gs i t u a t i o no ft h et e s tp a r t o nt h ef r o n t - b o d y a f t e rt h ea n a l y s i so ft h et a r g e tf o rt h er i g i d n e s sa n dd u r a b i l i t y t h ee v po fs v p r o v i n gg r o u n di sc h o s e na st h et e s tt r a c kf o rt h es i m u l a t i o nt e s t a n dt h et e s ti s a l s od o n eo nt h et e s tt r a c kn o 4o fh a i n a np r o v i n gg r o u n df o rc o m p a r i s o n t h e m e a s u r i n gp o i n t s ( i o c a i c r i t i c a i p o i n t sa n dc o n t r o ip o i n t sf o rs i m u l a t i o n ) w e r e c h o s e nb a s e do nt h ef o l l o w i n g ：1 t h ep o s s i b l ec r a c ka r e ao ft h ec a rf r o n t - b o d y , 2 t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o n sa n dt h ec l a m ps t y l eo ft h ec a rf r o n t b o d yo nt h et e s tr i g 。 3 t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dt h eg e o m e t r i c a ip a r a m e t e r so fm a s t , 4 t h ej n s t a l l a t i o n p o s i t i o n sa n dt h el o a dc h a r a c t er i s t i c so ft h ec o m p o n e n t s i np r o c e s s i n go ft h ea c q u i s t i o nd a t a 。t h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o na n ds t a t i s t i c s a n a l y s i si nt i m ed o m a i n ，f r e q u e n c yd o m a i na n df a t i g u ea r ep e r f o m e d t h et e s tr i g d r i v i n gf i l e i sa b t a i n e db ye d i t i n ga n dp r o c e s s i n gt h em e a s u r e m e n tt og e tt h e d e s i r e df i l et h e nd o i n gf r fw i t hr p ci i io nm a s ta n dc o m p u t i n gt h ef i r s td r i v e s i g n a lt od oi t e r a t i o n ，f i n a l l y ，t h es i m u l a t i o nq u a l i t yi sa l s oe v a l u a t e da n dp r o v e n i nt h i sa r t i c l e ，t h eb a f f e r yr i gi sa sa ne x a m p l et oe v a l u a t et h es i m u l a t i o nq u a l i t y b yc o m p a r e dt h ec o m p u t i n gf a t i g u ev a l u ew i t ht h er e a ld a m a g eo ft h ec o m p o n e n t s e n g i n e e r i n gn o m i n a ls t r a i nm e t h o d ，t h a ti ss t a n d a r ds nc u r v e 。r a i n f l o wc o u n t i n g a n dm i n e rt h e o r y ，w h i c hi sb r o u g h tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e ，a r ea d o p t e dt oe v a l u a t e t h ef a t i g u el i f e i ti st h ef i r s tt i m ej nc h i n at h a tt h er e s e a r c ho ft h er o a ds i m u l a t i o nt e s t so nt h e 6 d o f sm a s t k e y w o r d ： v e h i c l ec o m p o n e n t ；l a b o r a t o r yr o a ds i m u l a t i o nt e s t ； f a t i g u et e s tm e t h o d ；f a t i g u el i f ee v a l u a t i o n ；t e s ts t a n d a r dd e v e l o p m e n t 第 l l 页 同济大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 本课题所涉及的是s v w 7 18 3 a o i 、s v w 7 1 8 3 b g i 上海帕萨特轿车产品，此产品 经国家经贸委批准列入2 0 0 0 年度国家新产品试产计划， 并且获得国家经贸委和财 政部国家级重点新产品试产项目补助( 拔款) 经费。 随着我国汽车工业的发展，各大汽车公司逐渐从生产型企业向具备自主开发能 力的企业转变，即从产品单纯引进一国产化一向联合开发一自主开发的阶段转变， 因此产品开发的工作量愈来愈大、广度和深度愈来愈高，如果一个企业没有自己的 开发能力，就没有能力在较短的周期开发出高质量的产品，参与市场竞争，所以建 立企业自身的开发能力势在必行，而试验能力是开发能力中一个关键的环节。试验 能力就是指对零部件合格与否作出正确评价的能力，具体的讲试验能力就是要具备 必要的硬件( 试验系统和测量系统) 和软件( 有经验的试验工程师和有效的试验方法) 。 一个零部件从送样经认可到装车使用，要经过很多试验环节，从材质检验、尺 寸测量、功能试验到装在整车上的道路耐久试验等，来评价一个零部件是否符合设 计要求和使用要求，因此需要有相关的试验标准来规定怎样对零部件进行试验并评 价试验结果。目前，国内除了强制性法规以外，没有统一的零部件试验标准能适合 各汽车公司的产品，在进行零部件的国产化认可时，许多合资企业一般都使用合资 外方提供的认可试验标准。而全新开发一个产品时，零部件需进行的试验项目不但 量多、而且面广，并需要专门的开发试验标准，有时可以沿用现有的开发试验标准， 有时需根据开发产品的结构特点，重新修订开发试验标准；在进行产品质量分析时， 有时也需制定相应的试验标准。试验标准的制定是一个长期的、积累的过程，对零 部件的试验考核将是全面的、综合的，并且尽量模拟实际使用工况。 轿车开发过程中，室内道路模拟试验是一种快速准确的试验方法，通过远程参 数控制模拟技术来模拟试件在道路上的实际使用载荷，可大大缩短开发周期、节省开 发费用、提高开发质量。本研究的目的是开发通过远程参数控制在六通道多轴随机 振动台上实现车头室内道路模拟的试验技术，制定布置在车头内零部件的试验标准， 能够正确地、快速地模拟零部件在道路上的振动特性，缩短试验周期和试验费用。 本研究的具体内容是应用上海大众汽车有限公司拥有的六通道多轴模拟振动台对上 同济大学博士学位论文 海帕萨特轿车车头进行室内道路模拟试验，以解决对发动机支承、燃油管及支架、 水箱、前座椅总成、仪表板总成、保险杠总成、电瓶及支架等使用寿命的考核。因 此此项研究不但具有很大的实用性，而且也具有较高的经济效益。利用本研究的成 果可以对布置在车头内的零部件进行开发试验和质量分析试验，并为类似的其他应 用提供研究思路。 1 2 道路模拟试验研究现状 道路模拟试验技术的发展依赖于液压伺服设备技术的发展，5 0 年代末伺服阀 被引入试验技术，它首先作为执行机构应用于飞机舵驱动。液压伺服的特征是，由 一功率较弱的电信号控制能量足够的油流流至液压作动器，正常情况下在此过程中 的频率范围为0 - 2 0 0h z 。6 0 年代初美国和欧洲的各家制造商几乎同时开发出了液压 伺服设备， 开始这些机器和设备使用信号发生器、程序控制和模拟式磁带机给出理 论值：6 0 年代末出现了第一代可自由编程的控制器，其不但能用于给定理论值，而 且能用于监视试验和修正幅值，同时通过使用液压伺服设备和数字式理论值给定装 置，闭环控制的道路模拟试验才成为可能【1 】【2 】。1 9 7 3 年德国大众汽车公司开始使用 液压伺服设备进行车身道路模拟试验，1 9 8 4 年使用改进的“合成道路 对a 级车、 b 级车和商用车进行道路模拟试验，1 9 9 1 年开始在整车试验台上进行预试验，1 9 9 5 年在整车试验台上进行试验，表1 1 简述了德国大众车身试验的发展简史。 表1 1 德国大众车身试验的发展简史 年份试验试验小时 1 9 7 2 首次车身扭转试验 1 9 7 3 道路模拟试验 5 0 0 1 9 7 4 浓缩道路模拟试验，并开始描述“合成道路” 2 5 0 1 9 7 7 轿车开始使用合成道路 1 5 0 1 9 8 1 为a 级车改进合成道路 1 9 8 4 a 级车、b 级车和商用车开始使用改进的合成道路 1 8 0 1 9 9 l 开始整车试验台预试验 1 9 9 5 在整车试验台上进行试验 德国大众汽车公司应用整车试验台在开发阶段同时对底盘、车身和附件进行整 车道路模拟试验，不仅模拟坏路面，而且模拟驾驶特性，试验所需的输入参数使用 测量轮在道路上获取：分析了道路试验和实验室试验的优缺点，提出了强化试验的 2 同济大学博士学位论文 必要性，表1 - 2 是相当于用户6 0 0 0 行驶小时的道路试验和台架试验强化系数 3 。 表1 2 相当于用户行驶6 0 0 0 小时的强化系数 载荷行驶时间试验时间 强化系数强化系数 ( 小时)( 相对于里程)( 相对于时间) 用户约6 0 0 0h 1 道路试验 理论上：约2 4 0 ，实际：2 1 6 0 ( 3 个月)3 8l 台架试验 理论上：约1 3 0 ，实际：3 4 0 ( 2 周)3 86 德国宝马公司d r z i n e c k e r 提出了一种排气系统强度研究方法，首先确定开发 目标：质量、费用、时间：然后分析排气系统在实际使用时的影响因素：振动、温 度、气体流动和腐蚀等：并介绍了开发过程的三个阶段：准备阶段、开发阶段和验 证阶段 4 。 德国欧宝公司的多轴道路模拟通过应用比利时l m s 公司的f s e 方法和德国l b f 研究所的s i m u l t a n 同步方法等来缩短试验时间和优化模拟精度。f s e ( f m i g u es e n s i t i v e d i t i n g ) 方法的基本原理是删除对损伤无贡献或贡献不大的幅值，但是只有在某一时 间段所有通道的信号都能满足此要求，才能删除，这是为了保证各个通道的相位关 系。取最大幅值的1 5 作为损伤门槛值证明是合适的。通过应用f s e 方法试验强 化系数为2 ，当然能达到的强化系数很大程度上取决于模拟通道的数量和信号的损 伤密度。s i m u l t a n 同步方法首先也是应用f s e 方法，然后还须对信号的频率作如下 的改变，在最大可能缩短信号时，使结果与试验台的频率特性相一致。为此须提高 低频，降低模拟困难的高频。这种方法不仅保持各个通道的相位关系，而且用s i m u l t a n 同步方法生成的信号比原始信号或f s e 信号更容易迭代和模拟。使用s i m u l t a n 同步 方法时，注意须保持各个通道之间的相位关系，总的疲劳损伤基本一致，能够达到 的强化系数根据通道数量不同在3 、1 l 之间 5 6 。 总之室内道路模拟试验发展的方向：一是尽量模拟汽车实际使用工况，各向振 动模拟，例如转向力矩和转向角度模拟、车轮驱动模拟、环境条件模拟( 温度、湿 度、腐蚀介质等模拟) ；二是找出强化试验方法，尽量缩短试验时间。 1 9 7 5 年之前，我国室内汽车道路模拟试验技术几乎是空白。在此之后，原一机 部北京自动化研究所和北京汽车制造厂联合研制了可用于整车试验的试验台，但由 于性能有限，难以推广应用。七十年代末和八十年代初，第二汽车制造厂和长春汽 车研究所相继从美国m t s 公司引进了大型道路模拟试验设备。1 9 8 5 年，南京汽车 同济大学博士学位论文 制造厂从联邦德国s c h e n c k 一台道路模拟试验设备【7 】。1 9 9 2 年上海大众汽车有 限公司从美国m t s 公司引进了轮胎耦合的4 通道液压伺服系统，并应用德国大众研 究开发部工程师花费多年开发成功的合成道路试验程序，对轿车车身进行道路模拟 试验，以验证车身的使用寿命【8 】。 从一些阶段性的研究成果来看，许多学者也做了大量的工作。长春汽车研究所 王学义等用了两年时间较全面地研究了中型卡车的耐久性试验，主要工作包括：i 在海南试车场对满载的c a l 5 卡车进行数据采集：2 去掉测得信号中对疲劳影响不 大的小信号，形成期望响应；3 在m t s 道路模拟试验台上利用复现期望响应，并 进行耐久性试验；4 在内蒙古乌兰浩特运输公司投放1 5 辆c a l 0 b 卡车进行实际使 用试验；5 对室内试验数据及实际使用试验数据进行统计分析，得到以海南试车场 测量数据为基础的室内台架试验与乌兰浩特地区使用寿命的当量关系【9 】【1 0 】。清华 大学的王霄锋和管迪华、南京汽车研究所的何泽民等人讨论了汽车零部件室内耐久 性试验方法研究，并提出了一种新的前轴耐久性试验方法，即闭环控制应变模拟试 验方法【7 】。清华大学的王秋景和管迪华在汽车零部件道路模拟疲劳试验的基础上， 结合运用随机载荷作用下的疲劳寿命估算理论，对现行汽车前后轴疲劳试验方法、 标准作了合理的评价，并对现行方法、标准提出了修订草案【11 】。 1 3 六通道多轴道路模拟试验系统( m a s t ) 轿车在行驶过程中，其车头内零部件所受的载荷是复杂载荷，包括沿x 、y 、z 轴三个方向的线性运动和绕x 、y 、z 轴三个方向的旋转运动，共六个自由度的运动。 为了在试验室模拟车头内零部件在行驶过程中的实际工况，即再现六个自由度的运 动，六通道多轴道路模拟试验系统( m a s t ) 是实现此室内道路模拟试验必不可少 的试验设备之一。从查阅国内外现有文献来看，此项研究在国内目前尚未开展， 在 国外也只有德国戴姆勒克莱斯勒公司和法国雷诺公司等几家汽车公司拥有六通道多 轴模拟振动台，针对本公司的车从事此项目研究，但尚无公开发表的文献。可见文 献只有m t s 公司有关六通道多轴模拟振动台的介绍以及对其可应用领域的分析。 m t s 六通道多轴模拟振动台由液压系统、数字控制系统和机械系统所组成，操 作软件使用先进的w i n d o wn t 平台，并应用远程控制软件r p c i i i 来实现道路模拟 试验系统的试验控制和试验分析。六通道多轴模拟振动台通过f l e c t e s ti i 软件与r p c 4 同济大学博士学位论文 软件相结合，控制六个液压作动器动作，实现垂直、侧向、纵向、颠簸，摆动、侧 转六个自由度的运动，来进行室内道路模拟试验。六通道多轴模拟振动台主要用于 发动机支承、燃油管及支架、水箱、座椅、仪表板、电瓶及支架等空间六自由度的 模拟振动试验。 食黝t e s t 。 d a t a a c q u i s i t i o n 裁船采冀 凰_ 厘l 避= 二加l舷二二笳 澈 圈1 1 m a s t 工作原理筒图 六通道多轴模拟振动台的主要技术指标： 试件固定平台尺寸： 1 5 m x l2 m 晟大试件质量： 6 0 0 k g 最大加速度：垂直方向 2 0g 纵向 9 9 侧向 1 8g 最大速度：垂直方向 l0 ：5 m s 纵向 1 0 5 m s 侧向t1 r a s 同济大学博士学位论文 最大位移：1 1 2 5 咖 ( 垂直方向、纵向和侧向) 最大转角( 绕x 轴、y 轴和z 轴) ：7 5 度 工作频率范围：0 5 0h z 1 4 本文的研究内容及关键技术 轿车零部件试验任务接收的一般流程如图1 2 所示，主要有三种情况，一是有 明确的试验标准规范图纸要求，可以根据给定的要求组建试验台，进行试验；二是 试验标准规范图纸有不明确处或借用其它现有的试验标准，需要根据零部件在汽车 上的实际工作情况来补充和完善试验条件，才能组建试验台进行试验；第三种情况 是没有任何可以沿用的试验标准规范图纸要求，只能进行程序加载和道路模拟试 验。本研究属于第三种情况。试验标准的制定是一个长期的、积累的过程，对零部 件的试验考核将是全面的、综合的，并且尽量模拟实际使用工况。 任务书( 委托书) ， 试件和试验必需的相关零件 有明确的 试验标准，规范，图纸要求 试验台准备 试验标准，图纸 有不明确处 或借用其它试验标准 没有任何 试验标准，规范，图纸要求 姜粼l 否l 载荷模拟7i 是 合理的工作情况ll载荷模拟?i 补充完善试验条件ili 。 试验台准备l i 借用其它试验标准 程序加载 和 道路模拟 图1 2 试验任务接收流程 本文研究的工程目标是制定轿车车头道路模拟试验加载谱，实现这一目标的核 心问题主要有两个，一是获得车头在实际道路使用条件下的振动特性， 二是在六 通道多轴随机振动台上正确地、快速地模拟此振动特性。本研究的技术思路示于图 1 3 。本研究涉及的科学领域主要包括结构模态分析、信号采集分析与处理、疲劳强 度理论、疲劳寿命估算、液压伺服控制技术、道路模拟试验技术等方面。 6 同济大学博士学位论文 为了获得轿车车头实际道路使用条件下的振动特性，并在六通道多轴随机振动 台上正确地、快速地模拟出来，道路谱采集测点位置的选择和车头在振动台上的固 定位置及试件上质量块的施加是技术研究中的关键。 l撮蠢试验精度墨隶和麦蓐条件i l 定t 苛获取方法 l i道路教据采羹i i 台集赣据采橐 i l 羹荷计算法 l 用布t 好传蕃嚣的试件装车直接 i l 用布置好传薯量的试件装上盛虚l 如前轿l 在 ll 利用有曩元f 如a b a c u s ) 或多一体摸报f 如 d a s l i i 在试验局磊用户道黯上采曩量舞 i l台曩上i 如t s 3 2 9 以现有的基动值号i t j iii 袭俘咀墓或的驱动信号为边再条井计算试佟的囊赞i ii l有所失真l i谩差可蓖很大 i 蝴盈i ；：兰i ；il 章“章ip ；罨l 卜；叠l l 装车 l i 总盎上台繁 i 耐久试验 i 选择道黯 i l 选择t 厢叠 l i 量据墨囊 i i 量据缠髯 i i 量据分折 l i 损伤i 比较i l 寿命预估等i i 带传葛嚣的蔓车或l 带传蓐嚣的 l l 薯件磊零件上台囊ii 零梓上台絮 l i 台集试件系统ll 选代运算 i l的须响函教ii 响应信号揖伤比较i 图1 3 本研究技术思路示意图( 流程) 根据图1 3 ，本文的主要研究内容确定为： 1 车头台架试验模型的确定：通过车身结构模态分析和结构静态刚度分析，结合 六通道多轴随机振动台的结构特点，并考虑试件在车头中的安装情况来确定； 2 控制测点选择和道路载荷谱采集：在分析了强度耐久性设计目标后，选择了上 海大众试车场强化路作为室内模拟试验信号采集道路，作为比较对海南试车场 4 号可靠性路也进行了信号采集：另外从以下几个方面综合考虑来选取测点( 局 部危险区域和模拟控制点位置) ：1 车头在整个车身上可能的截断部位2 车头 在试验台上的约束条件及装夹方式3 m a s t 试验台的几何参数和特性4 拟 同济大学博士学位论文 研究零部件的安装位置和受力特点： 3 道路采集数据处理、台架试验加载谱编制：首先对测量数据进行预处理及检 验，对测量精度进行分析；然后进行时域、频域和疲劳损伤的统计特性值分析； 在研究和制定台架试验加载谱时，首先通过编辑和处理获得期望信号，其次通 过远程参数控制软件r p ci i i ，在m a s t 六通道多轴模拟试验台上进行系统频响 函数测试、根据期望信号和频响函数计算原始驱动信号，然后通过迭代，获得 驱动程序，即台架试验加载谱：最后对编制出的台架试验加载谱的模拟质量进 行了分析和验证。 4 以蓄电池支架为例的车头零部件室内道路模拟试验研究t 以安装在车头中的蓄电 池支架为例，根据模拟计算和试车场道路试验实际损伤情况确定局部危险区域 和模拟控制点位置，通过疲劳统损伤统计值对比和实际损伤对比来检验模拟质 量；在进行疲劳损伤分析时，采用标准的s - n 曲线、应用雨流计数法、应用m i n e r 修正理论进行疲劳寿命估算。 8 同济大学博士学位论文 第二章道路模拟试验加载谱研究的相关理论分析 2 1 结构模态分析技术 2 1 1 引言 模态分析技术是用于对机械系统、土建结构、桥梁等几乎无所不包的工程结构 进行动力学分析的现代化方法和手段。模态分析可定义为对结构动态特性的解析分 析和试验分析，其结构动态特性用模态参数来表征。在数学上，模态参数是力学系 统运动微分方程的特征值和特征矢量；而在试验方面则是试验测得的系统之极点( 固 有频率和阻尼) 和振型( 模态向量) 1 2 。 模态分析技术的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变 换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态参数描述的独立方程，以便求出系 统的模态参数。坐标变换的变换矩阵为模态矩阵，其每列为模态振型。模态分析可 以在频域中进行，亦可在时域中进行。模态分析的最终目标是设别出系统的模态参 数，为结构系统的振动特性分析，振动故障诊断及预报以及结构动力特性的优化设 计提供依据 1 3 。 模态分析技术是在感兴趣的频率范围内，确定结构所有模态的模态参数的过程， 其最终目标是利用这些参数来构造一个响应模态振型。这里有两条值得注意的事项： 1 任何结构的强迫动态位移都可以表示为其各模态振型的加权总和。2 每个模态都 可以用一个单自由度模型来表示。在任何结构上所作的频响函数测量都会用一组峰 值曲线来展现它的响应特性。每个单独的峰值通常都是尖状的，并用明显的中心频 率来指出该处的共振峰，每个共振峰都好似一个单自由度( s d o f ) 结构的响应。所 有模态的模态参数构成了对结构完整的动态描述，因此振动模态表示了自由状态下 结构的固有动态特性 1 4 。 由于极点位置和留数这两个参数是模态分析的基础，因此有必要对它们的概念 作一简单描述 1 4 ： 极点位置中包含了两个模态参数( 模态频率和模态阻尼) 。极点位置是一个复数， 其实部是振动趋于停止的速率( 与模态阻尼有关) ，虚部则是系统作自由衰减振 荡的频率( 模态频率) 。这些信号包藏在共振峰的中心频率及半带宽( 负3 分贝) 处。极点位置描述了频响函数的幅值及相位的形状。它给出了动态特性的定量 尺度。 9 同济大学博士学位论文 留数是一个数学上的概念，它在物理术语中没有直接的解释。它附带有频响函 数的绝对尺度，因而附带着幅值曲线的级值。留数与模态振型有关，留数有时 被称为极点强度，但是模态的幅值并不是由留数所单独决定的。它是留数与衰 减率之比。 2 1 2 模态参数识别方法 模态参数识别有频域方法和时域方法两种： 频域方法是：利用频域内的数据进行设别称为频域设别。在结构动力学中，频 域内的数据一般为系统的频响函数，也可以是输出的傅氏变换。 时域方法是：利用时域内的数据进行设别称为时域设别。在结构动力学中，时 域数据可以是自由响应数据、脉冲响应函数数据、白噪声激励响应数据和一般 的输入、输出时间历程数据。 时域方法主要有1 i t d 法2 l s c e 法( 最小二乘复指数法) 3 时序分析方法4 e r a 法( 特征系统实现算法) 。本文应用最小二乘复指数法进行模态参数的设别， 因此仅对此方法作一简单的介绍。 最小二乘复指数法( l s c e 法) 分为单参考点复指数法( s r c e ) 和多参考点复 指数法( p r c e ) 两种。前者是7 0 年代后期发展起来的一种单输入多输出时域设别 方法，后者是8 0 年代初期首先由美国结构动力研究公司( s d r c ) 推出的一种多辅 入多输出时域模态参数设别方法。最d - - 乘复指数法是基于最小二乘估计理论以及 脉冲响应函数与留数和极点之间的复指数关系，由于脉冲响应函数中包含了模态的 全部信息，并可以通过频响函数的傅氏逆变换得到，因此用它可以设别结构系统的 全部模态参数。 单参考点复指数法的技术思路是从系统的脉冲响应函数出发( 脉冲响应函数由 实测的频响函数经傅氏逆变换求得) ，根据脉冲响应函数与留数、极点之间的关系， 建立自回归模型( a r 模型) ，使问题成为a r 模型的参数估计，求出自回归系数， 再构造一个关于极点的p r o n y 多项式，求出留数与极点，从而求得振型、模态频率 与模态阻尼等模态参数。 总体时域最小二乘方法的设别步骤一般可归结如下 1 3 ： 1 ) 由n 个实测自由响应信号及p 个实测激励力信号构成结构系统的频响函数矩阵， 对其进行傅氏逆变换，求得脉冲响应矩阵。 l o 同济大学博士学位论文 2 ) 求脉冲响应矩阵的自相关矩阵，并用奇异值分解方法检验它的秩。 3 ) 初步估计模型的阶次；结构的模态数可根据响应信号的频谱图按所要求的频率 范围大致确定。模型阶次的最终确定需进行几次迭代运算后最后确定。 4 ) 估计模型中的系数矩阵。 5 ) 设别模态频率、模态阻尼、模态振型及模态参与因子。 6 ) 从计算出的模态参数综合成响应序列并与测量响应序列比较。若两者有较好的 一致性，则一组整体模态参数便可得到。否则，将模型阶次增加2 ，重复上述 ( 2 ) ( 5 ) 步骤。当进行几次迭代运算后，便可得到精度较高的一组整体模态 参数。 2 。1 3 模态分析技术在工程上的应用 模态分析作为- - i - 新的学科，并得到迅速发展，在于它的实用性，在于它解决实 际工程中振动问题的能力。模态分析所寻求的最终目标在于改变机械结构系统由经 验、类比和静态设计的方法为动态、优化设计方法；在于借助于试验与理论分析相 结合的方法，对已有结构系统进行设别、分析和评价，从中找出结构系统在动态性 能上所存在的问题，确保工程结构能安全可靠及有效地工作：在于根据现场测试的 数据来诊断及预报振动故障和进行噪声控制。通过这些方法为老产品的改进和新产 品的设计提供可靠的依据。 模态分析技术的应用不受工程门类的限制，它是一项综合性技术，可以应用于 各个工程部门及各种工程结构( 航空航天、汽车、造船、建筑等) 。它与有限元分析 技术一起成为结构动力学的两大支柱。 模态分析技术的应用可归结为下列几个方面： 1 评价现有结构系统的动态特性； 2 在新产品设计中进行结构动态特性的预估及优化设计； 3 诊断及预报结构系统的故障： 4 控制结构的辐射噪声； 5 设别结构系统的载荷。 本文应用模态分析技术对车身结构( 整体车身和截断车身) 的动态特性进行测 试和分析，属于第一方面的应用。 同济大学博士学位论文 2 2 疲劳寿命估算 2 2 1 引言 疲劳是一种渐进的失效现象，经常在较长的作用时间和较多的载荷循环次数之 后发生，疲劳破坏主要取决于作用载荷循环总数，与构件或结构的使用时间不是直 接有关的。目前一般把材料或构件的疲劳损伤过程分为三个阶段，即如图2 1 所示 的疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展及裂纹扩展到临界尺寸时的快速断裂。疲劳寿命主 要包括裂纹形成及裂纹扩展两个阶段。影响疲劳行为的因素很多，可以分为四大类： 即材料特性、载荷、构件的形式和尺寸、以及环境。在汽车工业中得到广泛应用的 疲劳寿命估算方法主要是名义应力法和局部应力应变法。名义应力法和局部应力 应变法的主要共同点是都采用线性损伤累积理论，即p a l m g r e n - - m i n e r 法则，根据 此法则，认为载荷引起的每次应力( 应变) 循环都在构件或结构中产生一定的损伤， 这些损伤线性累计起来，逐渐造成疲劳裂纹的产生、扩展以致全部断裂。 e r m u e d u n g s p r o z e s s l 疲劳损伤过程 堂堂竖螋l 一 羚 。_ 。i - _ - _ - - _ _ _ - _ - - i _ - - - _ - - _ - - _ _ _ _ 。r 。 i - _ - - _ i _ _ l - i _ _ l _ - _ 二= 图2 1 疲劳损伤过程 2 2 2 基于w o e h l e r ( s n ) 曲线和m i n e r 法则的名义应力法 名义应力法是用构件上的载荷或名义应力与s n 曲线直接估算构件危险点的裂 纹形成寿命。应用名义应力法计算疲劳寿命需要知道零部件的名义应力时间历程或 名义应变一时间历程、材料的疲劳数据和疲劳缺口系数 1 5 1 1 1 6 1 。 1 名义应力时间历程或名义应变时间历程 一个实测的随机应力时间历程是唯的，它包含了外加载荷和结构的动态响应 1 2 同济大学博士学位论文 的两方面的影响，就是说应力时间历程不仅受结构系统的影响而且也受到应力- 时 间历程的观测部位的影响。图2 2 列举了一些实测的应力时间历程。 p 籀油管内的匿力 运输机重心垂置加速度 迳输机重心爱直加速度 图2 2 各种工况的实测应力时间历程举例 2 材料的疲劳数据 应用名义应力法计算疲劳寿命需要用到材料的应力寿命曲线，它可由光滑试件 试验得到，也它可由真实试件试验得到。 应力寿命曲线表达为：2 x s 2 = s f ( 2n o b ( 2 1 ) 其中：a s 2 是应力幅，n f 是疲劳寿命，b 是应力一寿命曲线在a s 2 和2 n f 的双* 数坐 标图上的直线斜率；s f 是应力寿命曲线在a s 2 和2 n f i 拘p , 对数坐标图上的截距。 同济大学博士学位论文 3 疲劳缺口系数l ( f 在实践中，往往需要计算构件缺口根部的疲劳寿命，这就需要有缺口试件的应 力寿命曲线。而这种曲线可以从光滑试件的应力寿命曲线来估算，为此需要知道 构件的疲劳缺口系数k f 。 k f = 光滑试件疲劳强度缺1 3 试件疲劳强度 ( 2 2 ) 下式是计算k f 的一种常用公式： k f = l + ( k t - 1 ) ( 1 + a r ) ( 2 - 3 ) 其中：k t 一缺口的理论应力集中系数；r - 缺口根部圆角半径；a - 材料常数，与材料的强度极限及热 处理状态( 即晶粒尺寸大小) 有关，与r 的单位相同。 4 应用名义应力法计算疲劳寿命主要步骤 1 ) 去掉实测信号采样值中的非峰谷值，仅保留峰谷值。 2 ) 改造峰谷历程，得到一个新的历程。 3 ) 进行雨流计数，得到各个雨流循环。 4 ) 计算各个雨流计数循环的损伤d i 5 ) 载荷历程的累积疲劳损伤和疲劳寿命计算：根据m i n e r 法则，载荷历程的累 积疲劳损伤d 是各个滞回环损伤d i ( i - l ，2 ，- ，n ) 的线性积累，即 d = y 口 ( 2 4 ) 一 i - - i 疲劳寿命l f 为： l ，= 1 d ， ( 2 5 ) 由于名义应力法研究时间较长，人们积累了许多宝贵资料和丰富经验，且计算 较为简便，是目前工程中广泛使用的一种寿命估算方法。但这种方法的主要不足之 处是不能直接计算载荷顺序和残余应力的后继影响。 2 2 3 基于裂纹形成寿命的局部应力应变法 局部应力一应变法的设计思路是，构件或结构的疲劳破坏都是从应变集中部位 的最大应变处起始，并且在裂纹萌生以前都要产生一定的局部塑性变形，局部塑性 1 4 同济大学博士学位论文 变形是疲劳裂纹萌生和扩展的先决条件。因此，决定构件或结构疲劳强度和寿命的 是应变集中处的最大局部应力应变，只要最大局部应力应变相同，疲劳寿命就相同。 因而有应力集中构件的疲劳寿命，可以使用局部应力应变相同的光滑试样的应变寿 命曲线进行计算，也可使用局部应力应变相同的光滑试样进行疲劳试验来模拟 1 7 1 。 用局部应力一应变法估算谱载荷下的疲劳寿命，可使用载荷应变标定曲线法、 修正n e u b e r 法和能量密度法等方法。 局部应力一应变法的寿命估算流程见图2 3 。 图2 3 局部应力一应变法寿命估算流程 局部应力一应变法有如下优点： 1 ) 直接考虑了材料塑性应变的影响。 2 ) 考虑了加载顺序的影响。在构件的应力集中部位，大的拉伸载荷会引起局部 残余压应力，大的压缩载荷会引起局部残余拉应力。这两种残余应力可较大改变随 后在较小载荷作用下的应力状态，从而对延长结构件的疲劳寿命产生影响。但在一 般情况下，前者对结构疲劳寿命影响较大，后者反之。局部应力一应变法能真实地 反映以上特性，从而提高了寿命分析的可靠性。 3 ) 只需要较少数量的试验数据。如一种材料只需要一条循环应力一应变曲线和 一条对称循环的应变一寿命曲线。这些材料性能数据可以在试验室中用少量小试件 测得。 同济大学博士学位论文 2 2 4 本课题使用的工程名义应力法 实际上由于以下几个方面的原因，应用前面介绍的两种方法来估算疲劳寿命还 存在如下问题： 1 ) 现代疲劳设计方法较之传统的静态强度设计方法在应用上具有更大的复杂性 和困难性。静态强度设计方法常常引用材料的单调拉伸特性，运用理论力学、材料 力学中的经验和半经验强度公式作简单的校核计算。 2 ) 在我国，由于材料的疲劳性能数据及疲劳设计数据严重缺乏，设计人员难为 无米之炊。 3 ) 疲劳问题研究成本高。由于疲劳问题的特点是经验性、实践性、分散性，因 此完成一项较为理想的疲劳设计工程，常常需要经历设计、试验、修改设计、再试 验的反反复复的过程，在人力、物力、财力上均需较大的投入，而目前的投入还远 远不够。 4 ) 由于影响疲劳寿命的因素很多( 材料特性、载荷、构件的形式和尺寸、以及 环境) ，统计计数法( 如雨流计数法、峰值计数法等) 和疲劳寿命估算方法( 如名 义应力法、局部应力一应变法等) 又很多，因此到目前为止，想要估算出构件或结 构的实际疲劳寿命值是相当困难的。还只是为了进行对比而应用疲劳寿命估算方法 进行计算得到的估算值，其得到的疲劳寿命估算值并不是构件或结构的实际疲劳寿 命值，实际疲劳寿命值最终须通过试验获得。 鉴于以上的原因以及本文的目标是对试验室台架响应和道路响应的疲劳损伤进行 对比，因此本文应用比较简单的工程名义应力法来估算疲劳寿命，这种方法也是有 些国际著名汽车公司( 例如德国奥迪汽车公司) 常用的。具体步骤与节2 2 2 的名义 应力法相同，只是使用标准的s n 曲线( 由德国a u d i 公司提供，如图2 4 所示) 。 需要指出的是，采用这种试验方法只能进行纵向比较以及同一单位的试验值比 较，允许采用各种不同的物理量进行寿命估算，比如：力，应力，应变，加速度或 位移等等。因此，其得到的疲劳寿命估算值并不是实际的零部件的疲劳寿命值，只 是为了进行对比而应用疲劳寿命计算方法进行计算得到的估计值。 在r p ci l l 中，在定义了s n 曲线之后( 由于坐标系不同，在实际使用中必须 进行转换) ，我们就可以使用软件进行疲劳寿命估算，在计数时应用雨流计数法。计 算过程如图2 5 所示。 1 6 同济大学博士学位论文 损伤计算 s l0 4 l r a i n f l o w l0 7l “ 图2 4 标准的$ - n 曲线 雨流计数 图2 5r p ci i i 疲劳寿命估算流程 8 c h a