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摘要：载荷谱对整车及零部件疲劳耐久性能的研究具有非常重要的意义，而获取准确的载荷谱是进行疲劳耐久试验、疲劳损伤分析和整车疲劳设计的先决条件。本文介绍了重型卡车载荷谱采集与数据处理流程，阐述了基于载荷谱进行疲劳损伤分析的基本原理。这对重型卡车生产企业建立科学有效的整车耐久试验规范、提高整车疲劳耐久性能与产品市场竞争力具有重要的理论和工程应用价值。
Abstract： Load spectrum is of great significance to the study of fatigue durability of whole vehicle and parts， and obtaining accurate load spectrum is the prerequisite for fatigue durability test， fatigue damage analysis and whole vehicle fatigue design. This paper introduces the process of load spectrum acquisition and data processing of heavy truck， and expounds the basic principle of fatigue damage analysis based on load spectrum. This has important theoretical and engineering application value for heavy truck manufacturers to establish scientific and effective vehicle durability test specifications， improve vehicle fatigue durability and product market competitiveness.
關键词：可靠性;疲劳耐久;疲劳寿命;载荷谱;疲劳损伤
Key words： reliability;fatoeie durability;fatigue life;load spectrum;fatigue damage
中图分类号：U469.21 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0092-02
0 引言
随着我国基建和物流业的快速发展，重型卡车的销量快速增长，疲劳耐久性能对重型卡车的市场口碑极其重要，因此越来越受到整车制造企业的重视。疲劳耐久性能需要通过疲劳耐久试验进行验证，整车疲劳耐久试验主要包括用户道路试验、试验场强化试验、室内台架试验和计算机虚拟试验。
用户道路试验因试验周期长，已基本被试验场强化试验取代。试验场都建有一系列典型强化路面，在较短时间内可以得到在目标用户道路上数年的损伤情况，从而达到加速试验的目的[1]。通过采集目标用户道路与试验场典型强化道路载荷谱并进行疲劳损伤计算，可以得到两种道路的相对损伤关系，以制订出与目标用户关联的试验场强化试验规范。室内台架试验是将加速编辑后的道路载荷谱作为输入，通过迭代获得试验台架加载谱，在台架上复现车辆在道路上试验时相同的失效和故障模式，可进一步缩短整车疲劳耐久试验周期。计算机虚拟疲劳试验通过建立整车多体动力学模型并运用虚拟迭代技术，将载荷谱作为输入信号，在整车设计阶段即可对整车进行虚拟疲劳分析和寿命预测[2]。因此，获取准确的载荷谱是对整车进行疲劳耐久研究的基础。
现阶段国内对乘用车载荷谱采集与疲劳分析的研究较多，针对重型卡车的研究相对较少。本文介绍了重型卡车试验场载荷谱采集与数据处理的基本方法，对基于载荷谱进行疲劳分析的基本原理进行了阐述。
1 采集设备简介
1.1 采集系统与传感器 载荷谱采集系统与传感器参考表1所示。
1.2 传感器布置原则 传感器测点理论上越多越好，但受数采系统通道数及人力、物力、成本限制，测点选择尽量满足采集需要即可。应变片采集的信号可以直接用于整车及零部件疲劳寿命预测，一般布置在关键结构件、市场反馈出现开裂的位置和CAE分析中应力集中点。加速度信号主要作为室内台架试验、计算机虚拟耐久试验的迭代信号或监控信号，尽量布置在靠近轮胎中心处。车轮相对车架的垂向位移在室内台架试验中应用较多。六分力信号是后续制订轴耦合道路模拟机目标谱的重要参考信号。因此，载荷谱采集前应首先确定采集载荷谱的用途，不同的用途对于测点的选择是有不同的侧重点的。
在传感器布置后，应对传感器进行必要的保护。比如在应变片表面涂绝缘胶水，以免应变片受猛烈冲击而损坏。在发动机或排气系统附近的传感器表面裹上几层隔热胶带或使用隔热锡纸，避免因高温导致的传感器损伤和测试数据不准确问题。
2 采集过程
在进行载荷谱采集前，应先了解用户用途目标，主要包括车辆的负荷情况、行驶的道路种类、在各种道路上行驶的速度和里程等信息。根据用户用途目标，确定试验场载荷谱采集程序。试验车辆根据试验需求配重，配重物要固定牢靠，在采集过程中不得发生晃动和颠离。车辆轮胎气压符合标准要求，车辆各总成、部件、附属装置，按规定装配齐全。 在完成采集设备和传感器安装调试后，由专业驾驶员驾驶试验车辆，测试工程师随车进行载荷谱采集，采样率设为1024Hz。在正式测试前应先进行预测试，以检查设备、传感器有无异常情况。采集过程中，驾驶员应严格按照路试程序驾驶车辆，测试工程师实时监控测试信号有无异常。车辆行驶到一种强化路面时，按下逻辑开关，离开时再按一次，方便在后期根据逻辑开关信号对各路面信号进行截取。考虑到不同用户驾驶习惯的差异，可以由3名驾驶员驾驶试验车辆，各采集3次，共采集9组数据。
3 數据校验与预处理
3.1 有效性校验 为不影响后续分析结果的准确性，应首先对采集数据的有效性进行校验。首先，检查车速是否符合试验规范要求。然后对采集的时域信号进行观察，高质量的信号曲线光滑且有一定的规律性（幅值在均值上下呈对称分布）。轴头加速度信号幅值一般不超过30g，安装在车辆左右对称位置的传感器，信号幅值应具有较好的重合度。从频谱上观察，测试信号幅值一般服从正态分布，且路面激励在80Hz以下。将采集的9组信号从时域、频率、幅值域进行对比，三者应该具有较好的重复性。对悬架系统上测得的加速度和位移信号，可通过积分数学换算相互验证信号的有效性。
3.2 异常数据处理 载荷谱采集过程中，由于各种不确定因素干扰可能导致信号出现各种异常，如毛刺、趋势项等。信号中的“毛刺”一般是由于电干扰或意外的物理撞击所引起的，其信号幅值远大于附近点的幅值。趋势项的产生一般是由采集系统零点漂移或温度变化引起，其信号轴线脱离横轴，呈上升或下降趋势。毛刺与趋势项等异常信号会导致信号失真，在后续计算过程中导致不可预知的结果[3]。可以在Glyphworks模块中进行数据修正，消除信号毛刺和趋势项。
3.3 试验样本选择 在完成信号的校验和预处理后，对信号进行50Hz低通加汉宁窗滤波处理，以消除高于50Hz的部分，因为此部分的振动对整车的强度和耐久性影响非常小。从多组数据中挑出采集状态最好的，车速最稳定的数据作为数据样本，用于后续疲劳损伤计算。
4 疲劳分析
4.1 疲劳性能曲线（S-N曲线） 疲劳寿命与疲劳损伤计算主要依赖于材料的S-N曲线（图1）。S是恒定幅值应力，N为与之对应的应力加载下疲劳件发生疲劳破坏循环次数，即寿命[4]。S-N曲线可以通过大量样件的恒定幅值应力循环加载试验得到。工程上，通常是依据材料特性，在软件中拟合得到它的S-N曲线。
4.2 Miner线性累积损伤理论 S-N曲线只能解决特定载荷（载荷数值明确）的疲劳寿命计算。但事实上汽车行驶时受到的载荷是动态变化的，没有办法通过直接查询S-N曲线来计算疲劳损伤值，于是出现了累积损伤理论。根据累积损伤理论，构件在承受随机载荷作用下工作时，其疲劳破坏是在不同幅值的应力循环作用下所造成的不同大小的损伤逐步累积的结果。Miner线性疲劳累积损伤理论是目前应用最为普遍的疲劳累积损伤理论，根据Miner理论，构件的疲劳损伤可以直线累积，总损伤量为D，当D=1时，结构发生疲劳破坏，当D≠1时，其倒数为零件可服役的次数，即其寿命。
4.3 计数法 使汽车零部件产生疲劳损伤的主要原因是载荷幅值和载荷循环次数。汽车行驶过程中采集到的载荷-时间历程，具有很大的随机性，没有办法直接用于疲劳损伤的计算，必须对其进行统计处理。从载荷的随机信号中统计识别出不同大小级别载荷循环的次数的过程叫“计数法”。目前，在国内外工程中应用最为广泛的是雨流计数法[5]。雨流计数法的过程，可以利用Glyphworks软件完成。
4.4 疲劳损伤计算 经雨流计数法处理后的应力应变信号输入材料真实的S-N曲线中，即可进行绝对损伤计算，并进一步获得其真实的疲劳寿命。但在工程实践中，损伤分析的作用主要是建立用户道路试验、试验场强化试验、室内台架试验、计算机虚拟耐久试验之间的当量关系与对比零部件设变前后改善效果等，因此，这里需要导入伪损伤的概念。各种信号（包括力、力矩、位移、加速度及应变）都可认为是“广义应力”，将“广义应力”信号用Glyphworks雨流计数统计载荷与循环次数后，代入S-N 曲线（由于是做相对损伤对比，所以S-N曲线也可以是根据经验创建的），依据Miner法则进行计算，即可求得“名义寿命”或伪损伤。采用这种方法得到的绝对数值并无实际意义，主要用于对比分析。
5 结论
本文介绍了重型卡车载荷谱采集与数据处理流程，对基于载荷谱进行整车疲劳分析的基本原理进行了阐述。载荷谱对于重型卡车这类承载运输类车辆的疲劳耐久性能的研究非常重要。虽然我国重型卡车研发与制造水平在持续不断的向专业化发展，与国外技术水平差异不断缩小，但在疲劳耐久试验领域还处于摸索发展阶段。因此，不断提升整车疲劳耐久性能仍是重型卡车整车制造企业需要持续研究的重要课题。
参考文献：
[1]江毓，王晓磊，郑燕萍，等.与用户使用关联的整车耐久性试验方案确定[J].时代汽车，2017（06）：81-83，85.
[2]谢志强，裴照地.载荷谱在汽车上的应用[J].南方农机，2015（08）：48，68.
[3]赵晓鹏，冯树兴，张强，等.越野汽车试验场载荷信号的采集及预处理技术[J].汽车技术，2010（09）：38-42.
[4]张然志，译.LEE Y L.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京：国防工业出版社，2011：32.
[5]祝安定，刘康，陈金赟，等.基于雨流计数的汽车试验场路面强化关系研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2013，36（12）：1418-1421.
Abstract： Load spectrum is of great significance to the study of fatigue durability of whole vehicle and parts， and obtaining accurate load spectrum is the prerequisite for fatigue durability test， fatigue damage analysis and whole vehicle fatigue design. This paper introduces the process of load spectrum acquisition and data processing of heavy truck， and expounds the basic principle of fatigue damage analysis based on load spectrum. This has important theoretical and engineering application value for heavy truck manufacturers to establish scientific and effective vehicle durability test specifications， improve vehicle fatigue durability and product market competitiveness.
關键词：可靠性;疲劳耐久;疲劳寿命;载荷谱;疲劳损伤
Key words： reliability;fatoeie durability;fatigue life;load spectrum;fatigue damage
中图分类号：U469.21 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0092-02
0 引言
随着我国基建和物流业的快速发展，重型卡车的销量快速增长，疲劳耐久性能对重型卡车的市场口碑极其重要，因此越来越受到整车制造企业的重视。疲劳耐久性能需要通过疲劳耐久试验进行验证，整车疲劳耐久试验主要包括用户道路试验、试验场强化试验、室内台架试验和计算机虚拟试验。
用户道路试验因试验周期长，已基本被试验场强化试验取代。试验场都建有一系列典型强化路面，在较短时间内可以得到在目标用户道路上数年的损伤情况，从而达到加速试验的目的[1]。通过采集目标用户道路与试验场典型强化道路载荷谱并进行疲劳损伤计算，可以得到两种道路的相对损伤关系，以制订出与目标用户关联的试验场强化试验规范。室内台架试验是将加速编辑后的道路载荷谱作为输入，通过迭代获得试验台架加载谱，在台架上复现车辆在道路上试验时相同的失效和故障模式，可进一步缩短整车疲劳耐久试验周期。计算机虚拟疲劳试验通过建立整车多体动力学模型并运用虚拟迭代技术，将载荷谱作为输入信号，在整车设计阶段即可对整车进行虚拟疲劳分析和寿命预测[2]。因此，获取准确的载荷谱是对整车进行疲劳耐久研究的基础。
现阶段国内对乘用车载荷谱采集与疲劳分析的研究较多，针对重型卡车的研究相对较少。本文介绍了重型卡车试验场载荷谱采集与数据处理的基本方法，对基于载荷谱进行疲劳分析的基本原理进行了阐述。
1 采集设备简介
1.1 采集系统与传感器 载荷谱采集系统与传感器参考表1所示。
1.2 传感器布置原则 传感器测点理论上越多越好，但受数采系统通道数及人力、物力、成本限制，测点选择尽量满足采集需要即可。应变片采集的信号可以直接用于整车及零部件疲劳寿命预测，一般布置在关键结构件、市场反馈出现开裂的位置和CAE分析中应力集中点。加速度信号主要作为室内台架试验、计算机虚拟耐久试验的迭代信号或监控信号，尽量布置在靠近轮胎中心处。车轮相对车架的垂向位移在室内台架试验中应用较多。六分力信号是后续制订轴耦合道路模拟机目标谱的重要参考信号。因此，载荷谱采集前应首先确定采集载荷谱的用途，不同的用途对于测点的选择是有不同的侧重点的。
在传感器布置后，应对传感器进行必要的保护。比如在应变片表面涂绝缘胶水，以免应变片受猛烈冲击而损坏。在发动机或排气系统附近的传感器表面裹上几层隔热胶带或使用隔热锡纸，避免因高温导致的传感器损伤和测试数据不准确问题。
2 采集过程
在进行载荷谱采集前，应先了解用户用途目标，主要包括车辆的负荷情况、行驶的道路种类、在各种道路上行驶的速度和里程等信息。根据用户用途目标，确定试验场载荷谱采集程序。试验车辆根据试验需求配重，配重物要固定牢靠，在采集过程中不得发生晃动和颠离。车辆轮胎气压符合标准要求，车辆各总成、部件、附属装置，按规定装配齐全。 在完成采集设备和传感器安装调试后，由专业驾驶员驾驶试验车辆，测试工程师随车进行载荷谱采集，采样率设为1024Hz。在正式测试前应先进行预测试，以检查设备、传感器有无异常情况。采集过程中，驾驶员应严格按照路试程序驾驶车辆，测试工程师实时监控测试信号有无异常。车辆行驶到一种强化路面时，按下逻辑开关，离开时再按一次，方便在后期根据逻辑开关信号对各路面信号进行截取。考虑到不同用户驾驶习惯的差异，可以由3名驾驶员驾驶试验车辆，各采集3次，共采集9组数据。
3 數据校验与预处理
3.1 有效性校验 为不影响后续分析结果的准确性，应首先对采集数据的有效性进行校验。首先，检查车速是否符合试验规范要求。然后对采集的时域信号进行观察，高质量的信号曲线光滑且有一定的规律性（幅值在均值上下呈对称分布）。轴头加速度信号幅值一般不超过30g，安装在车辆左右对称位置的传感器，信号幅值应具有较好的重合度。从频谱上观察，测试信号幅值一般服从正态分布，且路面激励在80Hz以下。将采集的9组信号从时域、频率、幅值域进行对比，三者应该具有较好的重复性。对悬架系统上测得的加速度和位移信号，可通过积分数学换算相互验证信号的有效性。
3.2 异常数据处理 载荷谱采集过程中，由于各种不确定因素干扰可能导致信号出现各种异常，如毛刺、趋势项等。信号中的“毛刺”一般是由于电干扰或意外的物理撞击所引起的，其信号幅值远大于附近点的幅值。趋势项的产生一般是由采集系统零点漂移或温度变化引起，其信号轴线脱离横轴，呈上升或下降趋势。毛刺与趋势项等异常信号会导致信号失真，在后续计算过程中导致不可预知的结果[3]。可以在Glyphworks模块中进行数据修正，消除信号毛刺和趋势项。
3.3 试验样本选择 在完成信号的校验和预处理后，对信号进行50Hz低通加汉宁窗滤波处理，以消除高于50Hz的部分，因为此部分的振动对整车的强度和耐久性影响非常小。从多组数据中挑出采集状态最好的，车速最稳定的数据作为数据样本，用于后续疲劳损伤计算。
4 疲劳分析
4.1 疲劳性能曲线（S-N曲线） 疲劳寿命与疲劳损伤计算主要依赖于材料的S-N曲线（图1）。S是恒定幅值应力，N为与之对应的应力加载下疲劳件发生疲劳破坏循环次数，即寿命[4]。S-N曲线可以通过大量样件的恒定幅值应力循环加载试验得到。工程上，通常是依据材料特性，在软件中拟合得到它的S-N曲线。
4.2 Miner线性累积损伤理论 S-N曲线只能解决特定载荷（载荷数值明确）的疲劳寿命计算。但事实上汽车行驶时受到的载荷是动态变化的，没有办法通过直接查询S-N曲线来计算疲劳损伤值，于是出现了累积损伤理论。根据累积损伤理论，构件在承受随机载荷作用下工作时，其疲劳破坏是在不同幅值的应力循环作用下所造成的不同大小的损伤逐步累积的结果。Miner线性疲劳累积损伤理论是目前应用最为普遍的疲劳累积损伤理论，根据Miner理论，构件的疲劳损伤可以直线累积，总损伤量为D，当D=1时，结构发生疲劳破坏，当D≠1时，其倒数为零件可服役的次数，即其寿命。
4.3 计数法 使汽车零部件产生疲劳损伤的主要原因是载荷幅值和载荷循环次数。汽车行驶过程中采集到的载荷-时间历程，具有很大的随机性，没有办法直接用于疲劳损伤的计算，必须对其进行统计处理。从载荷的随机信号中统计识别出不同大小级别载荷循环的次数的过程叫“计数法”。目前，在国内外工程中应用最为广泛的是雨流计数法[5]。雨流计数法的过程，可以利用Glyphworks软件完成。
4.4 疲劳损伤计算 经雨流计数法处理后的应力应变信号输入材料真实的S-N曲线中，即可进行绝对损伤计算，并进一步获得其真实的疲劳寿命。但在工程实践中，损伤分析的作用主要是建立用户道路试验、试验场强化试验、室内台架试验、计算机虚拟耐久试验之间的当量关系与对比零部件设变前后改善效果等，因此，这里需要导入伪损伤的概念。各种信号（包括力、力矩、位移、加速度及应变）都可认为是“广义应力”，将“广义应力”信号用Glyphworks雨流计数统计载荷与循环次数后，代入S-N 曲线（由于是做相对损伤对比，所以S-N曲线也可以是根据经验创建的），依据Miner法则进行计算，即可求得“名义寿命”或伪损伤。采用这种方法得到的绝对数值并无实际意义，主要用于对比分析。
5 结论
本文介绍了重型卡车载荷谱采集与数据处理流程，对基于载荷谱进行整车疲劳分析的基本原理进行了阐述。载荷谱对于重型卡车这类承载运输类车辆的疲劳耐久性能的研究非常重要。虽然我国重型卡车研发与制造水平在持续不断的向专业化发展，与国外技术水平差异不断缩小，但在疲劳耐久试验领域还处于摸索发展阶段。因此，不断提升整车疲劳耐久性能仍是重型卡车整车制造企业需要持续研究的重要课题。
参考文献：
[1]江毓，王晓磊，郑燕萍，等.与用户使用关联的整车耐久性试验方案确定[J].时代汽车，2017（06）：81-83，85.
[2]谢志强，裴照地.载荷谱在汽车上的应用[J].南方农机，2015（08）：48，68.
[3]赵晓鹏，冯树兴，张强，等.越野汽车试验场载荷信号的采集及预处理技术[J].汽车技术，2010（09）：38-42.
[4]张然志，译.LEE Y L.疲劳试验测试分析理论与实践[M].北京：国防工业出版社，2011：32.
[5]祝安定，刘康，陈金赟，等.基于雨流计数的汽车试验场路面强化关系研究[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2013，36（12）：1418-1421.