一种仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法

摘要

本发明公开一种仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法，包括：S1、获取待测零部件的试验载荷和仿真载荷；S2、对试验载荷、仿真载荷进行数据预处理；S3、基于预处理后的试验载荷、仿真载荷，采用雨流计数法获得雨流矩阵，并通过三维柱状图对雨流矩阵进行表示；S4、基于雨流矩阵对预处理后的试验载荷、仿真载荷进行重新编制，获得试验载荷谱和仿真载荷谱；S5、按照路况占比对试验载荷谱和仿真载荷谱进行时域融合，得到融合载荷谱；S6、基于融合载荷谱获取齿面接触应力的融合应力谱；S7、基于待测零部件材料的S‑N曲线以及融合应力谱，获取待测零部件的疲劳寿命。本发明能够有效提高汽车零部件载荷谱分析的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及车辆工程机械技术领域，特别是涉及一种仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法。

背景技术

汽车由诸多零件组合而成，其在工作过程中受到实时变化的动载荷，为了研究汽车零件寿命需要进行载荷分析。目前对与汽车受载的分析主要有试验分析与仿真分析两种方法，但是一般是将两种方法分开使用，例如,单独进行仿真载荷谱分析或单独进行试验载荷谱分析，很少有将仿真与试验载荷结合进行分析的方法。对于试验载荷，由于是实车测试载荷或经过处理后的实车测试载荷，因此具有一定不可重复性，比如受到驾驶员因素及地域性局限等；而仿真载荷具有可重复性，与试验载荷相比更加稳定，但其在真实性上有所欠缺。因此，提出一种可以兼顾可重复性与真实性的仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够有效提高汽车零部件载荷谱分析的准确性，进而为汽车零部件疲劳寿命的评估提供了数据基础。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法，包括如下步骤：

S1、获取待测零部件的试验载荷和仿真载荷；

S2、对获取的试验载荷、仿真载荷进行数据预处理；

S3、基于预处理后的试验载荷、仿真载荷，采用雨流计数法获得雨流矩阵，并通过三维柱状图对雨流矩阵进行表示；

S4、基于雨流矩阵对预处理后的试验载荷、仿真载荷进行重新编制，获得试验载荷谱和仿真载荷谱；

S5、按照路况占比对试验载荷谱和仿真载荷谱进行时域融合，得到融合载荷谱；

S6、基于融合载荷谱获取齿面接触应力的融合应力谱；

S7、基于待测零部件材料的S-N曲线以及融合应力谱，获取待测零部件的疲劳寿命。

优选地，所述步骤S1中，所述试验载荷通过实车测试得到，所述仿真载荷通过仿真得到，所述仿真载荷获取过程中的参数设置与实车测试相同。

优选地，所述仿真载荷获取过程中设置的参数包括：电机参数、整车参数、减速器传动比；其中，所述电机参数包括最大转速、最大功率。

优选地，所述步骤S2中，数据预处理包括毛刺信号处理、漂移处理、平稳性检验、无效幅值删除。

优选地，当循环过程中，扭矩的幅值小于预设阈值时，即为无效幅值，并对无效幅值进行删除处理；无效幅值的选取标准如下式所示：

预设阈值＝(Mmax-Mmin)×5％

式中，Mmax和Mmin分别为扭矩数据中的最大值和最小值。

优选地，所述步骤S4中，对所述试验载荷、仿真载荷进行重新编制的方法为：分别按照试验载荷数据、仿真载荷数据的均值将试验载荷、仿真载荷重新编制为均值的一维载荷谱。

优选地，所述步骤S5中，时域融合后的融合载荷谱f(t)如式1所示：

f(t)＝f

式中，f

优选地，所述步骤S6中，齿面接触应力的融合应力谱σ

式中，K表示载荷系数，F

本发明公开了以下技术效果：

本发明提供一种仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法，基于待测零部件的试验载荷、仿真载荷，通过雨流计数法得到雨流矩阵，并通过雨流矩阵对预处理后的试验载荷、仿真载荷进行重新编制，得到试验载荷谱和仿真载荷谱，通过路况占比实现了试验载荷和仿真载荷的有效融合，基于试验载荷和仿真载荷的缺陷互补，有效提高了待测零部件载荷谱分析的准确性；同时，通过融合后的融合载荷谱计算得到齿面接触应力的融合应力谱，根据待测零部件材料的S-N曲线以及融合应力谱，实现了待测零部件的疲劳寿命的准确预测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法流程图；

图2为本发明实施例中试验载荷示意图；

图3为本发明实施例中仿真载荷示意图；

图4为本发明实施例中试验载荷雨流矩阵示意图；

图5为本发明实施例中仿真载荷雨流矩阵示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示，本实施例提供一种仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法，包括如下步骤：

S1、获取待测零部件的试验载荷和仿真载荷；

其中，试验载荷通过实车测试得到，具体为在实车试验中测量传动半轴的扭矩得到。

仿真载荷通过搭建仿真模型进行仿真得到；仿真载荷获取过程中的参数设置与实车测试相同，具体参数包括：电机参数、整车参数、减速器传动比，其中电机参数包括最大转速、最大功率。本实施例中，试验载荷、仿真载荷示意图分别如图2、图3所示。

所述仿真载荷在典型工况下进行获取；本实施例中，典型工况选用WLTC循环工况。

S2、对获取的试验载荷、仿真载荷进行数据预处理；

数据预处理包括毛刺信号处理、漂移处理、平稳性检验、无效幅值删除；在试验载荷和仿真载荷采集数据较好的情况下，只需进行毛刺信号处理；毛刺信号处理的方法为：对于扭矩异常点(即扭矩异常高的点)，取该异常点两边数据点扭矩的平均值对该异常点的扭矩值进行替换。

无效幅值的定义方法为：当循环过程中，扭矩的幅值小于预设阈值时，即为无效幅值，并对无效幅值进行删除处理；无效幅值的选取标准如下式所示：

预设阈值＝(Mmax-Mmin)×5％

式中，Mmax和Mmin分别为扭矩数据中的最大值和最小值。

S3、基于预处理后的试验载荷、仿真载荷，采用雨流计数法获得雨流矩阵，并通过三维柱状图对雨流矩阵进行表示；

雨流计数法又可称为“塔顶法”，是由英国的Matsuiski和Endo两位工程师提出的，距今已有50多年。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命计算中运用非常广泛。把应变-时间历程数据记录转过90°,时间坐标轴竖直向下，数据记录犹如一系列屋面，雨水顺着屋面往下流，故称为雨流计数法。雨流计数法对载荷的时间历程进行计数的过程反映了材料的记忆特性，具有明确的力学概念，因此该方法得到了普遍的认可。本实施例中，雨流计数法通过MATLAB程序来实现，将预处理后的试验载荷、仿真载荷数据输入MATLAB程序，即可得到雨流矩阵。

三维柱状图是雨流矩阵的直观表现形式。

本实施例中，基于试验载荷、仿真载荷获得的雨流矩阵分别如图4、图5所示。

S4、基于雨流矩阵对预处理后的试验载荷、仿真载荷进行重新编制，获得试验载荷谱和仿真载荷谱；

试验载荷、仿真载荷的幅值统计大部分都为0，因此，分别按照试验载荷数据、仿真载荷数据的均值将试验载荷、仿真载荷重新编制为均值的一维载荷谱。本实施例中，将试验载荷、仿真载荷均值分别按照等间距分8级，试验载荷谱、仿真载荷谱的重新编制分别如表1、表2所示。

表1

表2

S5、按照路况占比对试验载荷谱f

其中，仿真载荷谱的路况都为城市良好路况，而试验载荷谱的路况为好坏路况混合，路况的好坏主要由路面是否平整(平整好、不平/颠簸坏)来区分，仿真载荷中没有路面变化。

时域融合后的融合载荷谱f(t)如式(1)所示：

f(t)＝f

式中，f

S6、基于融合载荷谱获取齿面接触应力的融合应力谱；

最终疲劳寿命为齿轮的疲劳寿命，因此，基于融合载荷谱获取齿轮的齿面接触应力的融合应力谱。其中，齿面接触应力的融合应力谱σ

式中，K表示载荷系数，F

S7、基于待测零部件材料的S-N曲线以及融合应力谱，获取待测零部件的疲劳寿命。

将齿轮材料的S-N曲线以及融合应力谱输入MATLAB程序，即可计算得到齿轮的疲劳寿命。

为进一步验证本发明仿真与试验载荷融合的载荷谱分析方法的有效性，本实施例基于试验载荷、仿真载荷、本发明仿真与试验载荷融合三种方法获取待测零部件的疲劳寿命，结果对比如表3所示：

表3

由表1可知，由于实车测试的路况差，使用实车测试得到的试验载荷谱进行的疲劳寿命预测结果比仿真载荷普低；除此之外，实车测试有些工况无法考虑到，而仿真载荷谱弥补了该缺陷。由此可见，试验载荷和仿真载荷融合后使用融合载荷谱进行载荷谱分析及疲劳寿命预测的方法是可行的，有效提高了汽车零部件载荷谱分析及疲劳寿命预测的准确性。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。