整车疲劳耐久性能开发(1)
汽车疲劳耐久性试验数据采集与应用(疲劳培训)
History of Wheel Force Transducer
车轮六分力传感器发展历史
AT Caldwell Award for Technical Paper on WFT WFT技术论文所获奖励
33
History of Wheel Force Transducer
车轮六分力传感器发展历史 Second Generation – Evolves to be like the modern WFT 第二代-与现在主流的WFT产品已经非常相似
整车道路载荷测试 整车疲劳试验
零部件载荷测试
零部件疲劳试验 整车应力测试 零部件应力测试
8
汽车疲劳耐久试验
汽车疲劳耐久解决方案流程
9
测试步骤
1. 对所有的通道和传感器进行命名和编号。
10
测试步骤
2. 确认方向
1）加速度计方向与整车坐标系的关系 2）位移传感器：拉伸为正，压缩为负 3）方向盘转角：左转为正
30
History of Wheel Force Transducer
车轮六分力传感器发展历史 Single Piece Design 整体式设计 L – Strut Configuration Cabling through Spindle L型桥路设计 信号由特殊改制的传动轴输出
36
Series 5400 Wheel Force Transducer
5400系列车轮六分力传感器
都将是0。因此在采集完成后，要对此进行处理；
13
测试步骤
11. 有条件的话，可以采用给特征路面标记
14
测试步骤
12. 采集完成后，要对所有加速度信号进行低通滤波器滤波，并注意没有 相位移动；最后对所有采集的信号要进行检查，在确保信号没问题后， 再拆解测试仪器。
1汽车疲劳耐久性道路试验
车辆使用测量-结果
承载结构载荷-行使速度
Distance @ Level of Vehicle speed
Vehiclespeed(km/h)
0
50
100
150
200
Distances (km)
22
车辆使用测量-结果
承载结构载荷-载荷分布
V-speed Distribution of WFT Force
23
车辆使用测量-结果
承载结构载荷-循环载荷
Rainflowof WFT_LF_FxDYPGGMW15531
1.E+08
1.E+07
1.E+06
CycleCounts
1.E+05
1.E+04 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Range(kN )
24
车辆使用测量-结果
( i , j 1, 2 ,...... l , h 1, 2 ,...... k )
根据材料的 S-N 曲线计算疲劳损伤，相应与上述载荷的疲劳损伤矩阵 分别为：
D [ D i,j]
( i , j 1 , 2 ,...... l )
d h [ d h,i,j]
( i , j 1 , 2 ,...... l , h 1 , 2 ,...... k )
失效判据 失效分类 -等级
7
汽车疲劳耐久试验
目的和方法
目的 发现总体可靠性问题。这些问题可能在车辆的整个使用寿命 过程中被专业用户所关注； 锁定问题；
评价、确认总体可靠性。
方法
再现用户车辆使用和环境；
1汽车疲劳耐久性道路试验
道路相关技术
道路相关技术
矩阵缩减
道路相关技术
道路相关技术
道路相关技术
37
一般耐久试验开发（方法1）
37
整车耐久试
验 DPG_T 01
一般耐久试验开发（方法1）
37
一般耐久试验开发（方法1）
一般耐久试验开发（方法1）
41
一般耐久试验开发（方法1）
41
一般耐久试验开发（方法1）
车辆使用测量-用途
工程设计 技术要求
认证试验规范开发
可靠性（寿命）、优化设计
耐久、性能预测
发现、消除潜在失效模式
减少售后索赔和召回成本
相关
车辆使用测量-内容
机构调查
客户投诉
开发策略
市场调查
售后服务
车辆使用测量-内容
承载结构载荷道路路面车辆载重
装置和附件的使用车辆用途驾驶习惯
动力传动系统地区交通特点驾驶习惯油品质量•
车辆使用测量-途径和方法
20
使用传动系统
已有信息
用户使用跟踪测量
用户使用调查
车辆使用测量-途径和方法
20
构载荷测量
试车场道路载荷
各地公共道路载荷
数据采集
各种试车场道路
典型公共道路数据采集：非随机- 试验人员随机-当地司机
用户使用调查
各级道路行驶里程及
公共道路分级及典型
乘员和
车CombiTrack
原载荷
加速结构耐久性试验
加速结构耐久试验开发（方法2）
55
加速结构耐久试验开发（方法2）
55
加速结构耐久试验开发（方法2）
55
加速结构耐久试验开发（方法2）
ICE-flow汽车疲劳耐久性工程解决方案
ICE-flow汽车疲劳耐久性工程解决方案近年来，随着CAD/CAE 技术突飞猛进，靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进汽车耐久性的方法成本高、周期长，已经逐步被虚拟耐久性设计理念取代。
随着汽车行业内的竞争不断加剧，汽车制造商无不面临着如下情况：满足用户日益提高的安全性及可靠性要求的同时做到节省成本。
其中，汽车的疲劳耐久性设计就是必须面对的重要课题之一。
疲劳耐久性工程长期以来，汽车的耐久性主要靠实验室台架试验或试车场路试来评价或改进，这种设计思路成本高、周期长。
近一二十年来，CAD/CAE 技术突飞猛进，虚拟耐久性设计理念已经在一些著名的汽车公司得到了广泛应用。
一个完整的疲劳耐久性解决方案通常包括如下步骤（如图1）：根据用户用途建立寿命设计目标；采集用户使用环境和试车场载荷数据；验证分析处理实测数据；创建零构件几何模型；求取零构件间所传递的载荷；获取材料的疲劳寿命性能；预估零构件的疲劳寿命；台架模拟试验；试车场耐久性试验。
图1 疲劳耐久性解决方案流程ICE-flow 的功能作为著名的疲劳耐久性技术服务公司之一的英国恩科（nCode）国际有限公司开发了一整套用于汽车耐久性设计、分析、试验及管理的硬件和软件工具——ICE-flow 系列产品。
包括：数据采集器Somat eDAQ、数据分析处理及实验疲劳软件GlyphWorks、CAE 疲劳分析软件DesignLife 和耐久性数据管理软件系统Library。
ICE-flow 集工程数据采集分析处理、疲劳寿命分析模拟、实验室台架加速和远程数据传递及管理于一身，是进行一体化抗疲劳设计必备的一个分析工具，也是进行异地协同设计的有效工具。
ICE-flow 系列产品如图2 所示，以下对各功能分别进行介绍。
图2 ICE- flow 系列产品。
基于疲劳设计理论解决轿车车身后部开裂问题
基于疲劳设计理论解决轿车车身后部开裂问题汪沛伟;龚侃;袁亮;张铁;宋瀚【摘要】本文针对项目开发过程中的试验开裂问题,基于疲劳设计的基本理论,对影响车身疲劳耐久性能的因素进行分析.提出改善思路及改善方向,通过大扭转静态仿真分析方法,快速提出了有效的改善方案.该方案通过试验样车耐久测试,验证切实可行,为今后车身结构解决疲劳失效的问题提供重要参考.【期刊名称】《汽车科技》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】4页(P108-111)【关键词】疲劳耐久;应力集中;大扭转工况静态分析【作者】汪沛伟;龚侃;袁亮;张铁;宋瀚【作者单位】东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070【正文语种】中文【中图分类】U463.3+6汪沛伟武汉理工大学机械工程硕士研究生毕业，现任东风汽车公司技术中心工程师，研究方向为：车体结构设计。
随着汽车市场越来越大，人们对汽车的安全性、可靠性的要求越来越高。
在汽车行驶过程中，由于路面不平整等因素影响，车身通常会受到交变载荷的作用，在交变载荷的重复作用下车身结构可能产生低于材料最大应力水平下的疲劳破坏。
车身作为汽车的重要支撑结构，其疲劳耐久性能对整车的安全性、可靠性影响尤其明显。
本文针对某三厢车型开发过程中，车身后部在耐久试验中开裂问题为例，根据疲劳设计理论提出解决思路，并由此提出新的仿真分析思路，快速有效的提出解决方案，最终通过实车验证解决了开裂问题。
某三厢轿车在试制样车阶段进行轮胎耦合道路耐久试验中，车身后部出现了不同程度的开裂现象。
开裂的地方主要发生在车身后部后隔板处，后隔板是三厢轿车特有的结构，位于车身后排座椅靠背的后面，行李箱的前面，连接左右侧C柱钣金结构，如图1所示。
后隔板是重要的传力路径，对整个车身起到一个横向的支撑，对整个车身的扭转刚度、强度均有重要影响。
汽车疲劳耐久性道路试验
05
试验结果分析
数据分析方法
统计分析
对试验数据进行统计分析，包括 平均值、标准差、最大值、最小 值等，以评估数据的分布和离散 程度。
时域分析
对试验数据进行时域分析，如波 形分析、傅里叶变换等，以提取 车辆动态特性和振动规律。
频域分析
对试验数据进行频域分析，如频 谱分析、功率谱分析等，以揭示 车辆振动和噪声的频率特征及来 源。
试验方法
采用实际道路测试和模拟工况相结合的方法，模 拟车辆在不同路况、气候和驾驶习惯下的使用情 况。
试验过程
在多种典型路况下进行长时间行驶，包括高速公 路、城市道路、山路等，同时记录车辆各项性能 指标和驾驶员反馈。
试验结果与改进措施
试验结果
经过长时间的道路试验，发现车辆在某些部位出现了疲劳裂纹和磨损现象，影响了车辆的安全性能和 舒适性。
利用人工智能技术对汽车疲劳耐久性进行预测和优化，实现更高 效的试验和设计。
生物力学
借鉴生物力学的研究方法，将人体疲劳与汽车疲劳相结合，以提 高汽车座椅和人机界面的舒适性和耐久性。
智能化与自动化技术应用
数据采集与分析
利用先进的传感器和数据分析技术，实现高精度、高效率的数据采 集和疲劳性能分析。
虚拟仿真技术
验证汽车设计的可靠性和耐久性
通过模拟实际使用中的各种工况和载荷条件，可以验证汽车设计的可靠性和耐久性，及时发现和解决潜在的设 计缺陷或制造问题。
疲劳耐久性对汽车的重要性
提高汽车使用寿命
疲劳耐久性良好的汽车能够在使用过 程中保持性能，减少因过早疲劳损坏 导致的维修和更换部件的需求，从而 提高汽车的使用寿命。
结果解读
根据试验结果，分析汽车在疲劳耐久性道路试验中的性能表现，找出潜在的问题和薄弱环节。
车辆疲劳耐久分析
车辆疲劳耐久分析1前言传统上所谓的“道路载荷”就是车辆在崎岖不平的道路上行驶，激起轮胎的连续变形。
藉着力的传导,轮胎的反弹力经由悬挂体而传播分布到车身各处。
在重覆的受力状态下，部件若在指定的驶程内产生破裂，则需重新设计。
但是，车辆工程人员迄今仍无法掌握导致部件破裂的“道路载荷”。
而在有测试的前提下，用正确的有限元方法模拟各种工况，和有创新能力的软件商一起完成“道路载荷”的获取是最省事的做法。
二十世纪初期，车辆的耐久性已是车辆设计规范之一。
汽车制造商为了要测定车辆的耐疲劳性，测试人员将各类的车辆，以不同的速度行驶于底特律的各种不同的道路上。
再根据车辆的破坏程度来修正车辆设计上的缺陷。
随着时代的演进和试车场的诞生，车辆的耐疲劳测试逐渐改在可控制的道路状况下重覆的进行测试。
由于测试的技术亦不断的进步，试车员可将耐疲劳的行驶里程由五位数减至四位数并和原先的全程测试得到的结果相仿。
为了缩短出车的时间，大家都在增进效率上努力。
二十世纪末期，复合材料模拟方法，超单元算法，橡胶单元面世，因计算机的速度突飞猛进带动了结构分析软件的技术开发。
一九八四年最好的有限元单元问世，接触面的运算方法和隐式性积分无条件收敛的算法获得验证。
先後为结构分析人员提供了在计算机上，用有限元方法模拟车辆行驶于耐疲劳道路上应力分析的工具。
以期达到减重，耐久，可以免除测试的好处。
开发成功便能取代耗时的耐疲劳行驶测试，缩短产品开发时间，这创新将是产品自主开发的利器。
有限元方法已是成熟的技术。
模拟车辆在耐疲劳道路上行驶，除了用正确有限元方法模拟不同零件的方法，祗需要掌握下文叙述的，线性，非线性，子结构分析知识和技术即可。
2结构分析和道路载荷在没有电子计算机的时代，汽车结构分析是用比较性的分析；分析人员仅能将目标车的断面，和设计车的断面，用手运算後作粗枝大叶的比较，谈不上精确度。
设计人员基本上是仰赖车辆在耐疲劳道路上的测试报告为依据。
计算机问世後，结构分析软件也应时而生。
汽车零部件疲劳耐久试验
汽车零部件疲劳耐久试验背景介绍汽车零部件的疲劳耐久性能对于汽车的安全和可靠性至关重要。
在汽车运行过程中，各种零部件都会受到复杂的力学和热力学载荷的作用，长期以来，疲劳失效一直是汽车设计与制造中的一个严重问题。
因此，对汽车零部件的疲劳耐久性能进行准确可靠的试验和评价显得非常重要。
本文将介绍汽车零部件疲劳耐久试验的重要性、试验方法以及试验过程中涉及到的一些关键技术。
试验的重要性汽车零部件在长期使用过程中会受到频繁的振动、冲击和变形等力学载荷的作用，这些载荷可能会导致零部件产生疲劳裂纹并最终失效。
因此，对汽车零部件的疲劳耐久性能进行试验是确保汽车安全可靠的关键环节。
通过疲劳耐久试验，可以评估零部件在真实工况下的寿命和可靠性。
通过分析试验结果，能够为零部件的设计和制造提供重要的参考依据，指导工程师们进行设计和材料选择。
同时，试验结果也可以为汽车制造商和维修人员提供有关零部件维修和更换周期的参考。
试验方法1. 材料准备在进行疲劳耐久试验之前，首先需要准备合适的试验样品和材料。
样品通常由汽车零部件的重要结构部分制作而成，例如悬挂系统、转向系统、发动机部件等。
材料的选择应根据零部件的具体工作环境和力学要求来确定。
2. 试验装置进行疲劳耐久试验需要合适的试验装置。
一般来说，试验装置由试验台、驱动系统、载荷传感器等组成。
试验台应具备稳定的结构和可调节的试验参数，以满足不同试验要求。
驱动系统用于施加加载力，而载荷传感器用于采集试验过程中零部件受到的载荷信息。
3. 试验过程疲劳耐久试验一般分为两个阶段：载荷谱制定与应力历程修正阶段和试验加载阶段。
在载荷谱制定与应力历程修正阶段，根据实际使用条件和统计数据，制定合适的载荷谱。
载荷谱是描述零部件受到的力学载荷的时间历程曲线。
然后，根据材料的应力应变性能，对实际工况下的载荷谱进行修正，以得到逼近实际使用条件下的应力历程。
在试验加载阶段，根据修正后的应力历程对试验样品进行加载。
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用于获取加速度响应载荷 （如底盘、驾驶室、动力总成 等），是耐久性能开发的关键载 荷。
若需进行整车及系统的台架 试验，加速度信号还将作为重要 的迭代信号。
1、载荷谱采集
1.3 关键传感器 • 位移传感Байду номын сангаас的应用
Zd
用于获取底盘、驾驶室、动力总成 的相对位移，是耐久性能开发的关键载 荷。
路面特征分类
对路面工况进行分类，高频路面采 用虚拟迭代分解，低频路面采用施 加车身姿态分解
序号 工况 地理特征 平整度
1 铁轨路 平路面 高频路面
2 振动路3 平路面 高频路面
3 长波路 平路面 低频路面
…… ……
……
……
24 8字行驶 大弯道平路面 低频路面
25 倒档上坡
坡道
低频路面
整车多体模型建立及验证
1、雨流计数，统计各信号 2、虚拟损伤计算，对比不同路面的强度等
循环幅值、均值及次数
级，以及不同试验场同种路面的强度等级
1、载荷谱采集
1.6 商用车载荷谱采集
针对车架、驾驶室、悬挂部
件、轴头等关键区域，采集加速
加 速
度、应变、位移、力等载荷信号。 度
Z向是主要载荷方向。
传 感
器
应 变 片
位 移 传 感 器
耐久性能整体解决方案
基于实测载荷谱的耐久性能开发主要过程包括： 载荷谱处理后，通过多体动力学模型将轮心载荷分 解到底盘各个接附点，进行有限元疲劳强度仿真及 优化；以及载荷工况的等效、仿真和试验的精度对 比。
载荷谱
载荷分解
试验场/台架可靠性试验
仿
真
与
试
结构静强度性能仿真
验
对
标
结构疲劳性能仿真
耐久性能开发 目录
• 3.1 材料寿命曲线 测试 • 3.2 疲劳台架试验
D
4、规范制定
• 4.1 用户关联 • 4.2 试验场关联 • 4.3 台架关联
E
5、虚拟试验场 开发
• 5.1 几何谱采集 • 5.2 路面构建 • 5.3 轮胎辨识 • 5.4 项目案例
1、载荷谱采集
1.1 采集设备
乘用/商用车车轮 六分力传感器
QingGang
2
2
Day08_4429km_Route1_L C1_HLR_Part02
10:37
11:22
HW service
YouTing toll gate
4374
4429
Empty Load
HLR
WET ok
station
3
3
Day08_4450km_Route1_L C1_SR_Part03
2、CAE分析
2.5 疲劳分析
• 疲劳分析
白车身钣金件疲劳分析
基于载荷谱
白车身焊点疲劳分析
后扭力梁疲劳分析
衬套参数设置、调整，多体模型状 态与采集车辆状态核对等
高频路面虚拟迭代分解
迭代过程中精度监控
24个激励通道 DZ x 4 Fx&Fy x 4 Mx&My&Mz x 4 通过对比实测六分力数 据、轴头加速度、弹簧 长度进行迭代精度控制
低频路面施加车身姿态分解
质心6自由度 运动量计算
利用陀螺仪信号或车身上三点 加速度信号反算车身6个自由 度的运动量，施加于车身质心； 同时施加六分力测试数据，按 照测试时域长度运行模型，进 行载荷分解
2、CAE分析
2.5 疲劳分析
• 虚拟迭代分解
车 架 接 附 点
车架安装点载荷示意图
驾 驶 室 接 附 点
序号 1 2 3 4 5 6 7 8
连接部件 后板簧
中轴缓冲块 后抽缓冲块 上前推力杆 上后推力杆 下前推力杆 下后推力杆 后稳定杆连杆
连接点数 2(左右) 2(左右) 2(左右)
1 1 2(左右) 2(左右) 2(左右)
2、CAE分析
2.3 模型标定
2、CAE分析
2.4 试验对标
仿真预测
路试断裂
原模型
优化方案
车桥减震器支架强度路试验证
悬架系统疲劳台架验证 减震器套筒路试验证
2、CAE分析
2.5 疲劳分析
• 虚拟迭代分解
载荷谱数据处理
处理数据毛刺、漂移、平移等，路面工况 划分，样本赛选，滤波等
毛刺
漂移
路面工况划分
无线遥测方式
轮边滑环方式
轴端滑环方式
1、载荷谱采集
1.3 关键传感器 • 压力传感器的应用
应用于汽车上空气悬架、液压动力装置等部件的 压力载荷测量，以间接获取某些部件或系统的真实载 荷谱。
1、载荷谱采集
1.3 关键传感器 • 陀螺仪的应用
应用于整车姿态信号的测量。 在进行基于六分力载荷的载荷迭代时， 该载荷可用于消除整车刚体运动对迭代精度 的影响。
整车疲劳耐久性能开发
2019年
耐久性能开发意义
结构耐久性能改进
在整车开发前期或后期，通过CAE仿真和试验验证手段降低结构失效的风 险，或解决已经出现失效问题，保证达到整车质保要求。
结构轻量化设计
结构的耐久性能是制约结构轻量化的关键指标，只有精准地评估整车结构 的耐久性能，才能更科学地实现结构轻量化目标。
GPS：可同步采集车辆 轨迹信息，可辅助载荷谱数 据后处理的数据确认、分割 等工作。
视频：可同步路面或车辆 特定区域的视频数据，该数 据可辅助载荷谱数据后处理 的数据确认、分割等工作。
振动路3 卵石路 振动路1 碎石路
1、载荷谱采集
1.4 采集记录
为了很容易的区分采集的数据和更好的进行分析，将按如下规则对采集数据命名：
轴头载荷谱采集
车架/驾驶室/悬挂部件载荷谱采集
1、载荷谱采集
1.7 商用车案例
• 某牵引车定远试验场载荷谱采集
采集通道数 六分力 加速度 位移 应变
32 54 8 15
其它 18
小计 127
1、载荷谱采集
1.7 商用车案例
• 某牵引车襄阳试验场载荷谱采集
采集通道数 六分力 加速度 位移 应变
32 62 10 65
A BC
1、载荷谱采集
2、CAE分析
3、试验验证
• 1.1 采集设备 • 1.2 零部件标定 • 1.3 关键传感器 • 1.4 采集记录 • 1.5 数据后处理 • 1.6 商用车载荷采集 • 1.7 商用车案例
• 2.1 技术路线 • 2.2 分析体系及规范 • 2.3 试验标定 • 2.4 试验对标 • 2.5 疲劳分析
4450 4474
Empty Load
RR
WET
This part include a double journey of rough road
1、载荷谱采集
1.5 数据后处理 • 数据后处理流程
原
1、浏览检查数据完整性，
根据数据类型、用途进行分类：
1、单位转换
始
数 确认信号等级等
数 1、四、六立柱台架迭代信号
除了命名上面的信息之外，还有一些信息是采集时需要记录的。
Part
Video file
File Name
Start End Start
End Start End load
Road
Road
Time Time Location Location km km Condition Classification Condition
4、……
6、……
数 据 分割
数 据 修理
1、采集工况繁多，需将不同配载不同路面工况数据进行划分，便于后期分析
1、处理数据毛刺、漂移、平移等
毛刺
漂移
路面工况划分
1、不同配载不同路面下，
数
具备多次采集样本
数
据
2、基于最小标准差的原则，
据
筛
选择最具代表的样本
对
选
3、将选取样本，组合得到
比
最佳的整个采集数据
Remarks
QingGang
1
1
Day08_4374km_Route1_L C1_HW_Part01
9:13
10:15
SIH
HW service
4304 4374
Empty Load
HW
station
WET
1,9：31，Beibei tunnel/4km length/vehicle mileage
1、载荷谱采集
1.3 关键传感器 • 方向盘扭矩传感器的应用
应用于汽车方向盘的力矩、转角、转速 等信号测量。 该载荷可用于转向系统的力学性能仿真 或台架试验。 在绕8字等大转角工况载荷谱采集时，方 向盘转角信号可与同步采集的前轮六分力载 荷结合，获取精确的前轮载荷。
1、载荷谱采集
1.3 关键传感器 • 其它传感器的应用
DayAA_BBBBBkm_RouteC_LCD_EE_PartFF
DayAA：测试当天的日期，如Day01、Day02等等 BBBBBkm：本次测试结束时车辆里程。 RouteC：既定好的测试路线，比如路线1、路线2。 LCD：载荷状态，LC1为标准空载，LC2为标准满载。 EE：路面定义，比如HW为告诉公路、CR为城市道路、NR为国道等。 PartFF：当天采集的第几部分数据。
路试规范整理出各路面总循环表
计算目标总伪损伤
等效组合工况
组合工况分类
序号 1 2 3 略 23 24
工况 cobblestone resonance2 Reg—wave
略 Bodytwist slope10up
地理特征 平路面 平路面 平路面 略 平路面 坡道