SimRod 经验谈：从石块路面到车辆耐久性测试（第 4 部分）

作者 Gert Frans

在我的上一篇博文中，我解释了如何使用 Simcenter Testlab Neo 软件轻松检查驾驶员是否正确遵循了试验场上预定义的耐久性测试程序。得益于 Simcenter Testlab Neo 的嵌入式处理功能，您能够在预期时间内以最高的质量获得这些结果。

我还向您展示了 Simcenter Testlab Neo 支持您进行更深入的载荷数据分析，以了解车辆的耐久性行为。我们使用雨流计数法和相应的 S-N 曲线计算了特定于耐久性的参数，例如潜在损伤。通过计算穿级计数和量级驻留时间，我们扩展了对车辆性能的洞察，而通过显示的 PSD 图，我们可以对加速度通道进行频率内容检查。

借助“透视表”和“预览”图片，我只需单击几次就能获得完整简明的结果概览。而通过所谓的“活动报告”，我可以用 Microsoft Word 或 Powerpoint 为团队成员提供有关多个通道和试验的深入可视化报告，大幅减少制作精美报告所需的时间！

但处理能力并不止于此！借助 Simcenter Testlab，您还可以根据应变测量结果来计算组件的疲劳寿命，甚至将长时间耐久性测量压缩为较短的测试计划，以便执行试验台或仿真测试工作。

在这篇博文中，我将向您说明如何通过根据长时间测量数据为试验台创建测试计划来加快我的耐久性测试。

用于耐久性性能验证的加速寿命测试

要加快耐久性测试，有 4 种可行方法：

提高耐久性测试的速度（通过在较短时间内播放相同的时域信号）
增加所施加信号的振幅
忽略（或移除）信号中不会造成任何显著损伤的部分
以及简化测试（通过将原始信号转换为由正弦波组成的单个或几个幅值数据块周期程序）

当然，对于所有这些方法，基本原则是保持原始信号或测试的损伤。损伤是您想要保留在新加速度信号中的最重要部分。

前两种方法相当容易应用，因此得到了许多客户的经常使用。但是，由于使用这些方法只能对信号进行有限的加速，并且可以安全应用它们的时间也有限制，我想更深入地介绍后两种方法。

忽略长时间测量中的无损伤事件

在缩短实际的长时间测量以进行耐久性性能验证时，一大挑战是如何保留损伤并移除其余所有部分。

那么，如何从时域信号中移除无损伤事件呢？

我们先来介绍一下背景。

在上图中，您可以在左侧看到累积损伤视图中载荷时间序列的程对图。仔细观察，您会发现所有低于 4000N 的载荷周期只贡献不到 0.5% 的总损伤。因此，与原始信号相比，从信号中移除这些周期只会损失 0.5% 的损伤。 0.5% 足可忽略不计！

但是，如果我们现在用累积周期计数表示相同的程对图，那么我们会看到，在去掉所有幅值低于 4000N 的周期并只保留高幅值周期的情况下，总周期数从 1000 骤降到 70。因此，通过这样做，您可以将载荷的总时长减少 14 倍以上，但仍然保持几乎相同的损伤！

移除这些无损伤周期可以用 Simcenter Testlab Neo 软件自动完成！

现在用示例来证明！

正如我在之前的博文中所解释的，由于我们只能向一个方向行驶，并且在到达耐久性粗糙路段的终点后不能倒车，我们每次都需要沿着椭圆赛道继续行驶，直到再次到达粗糙路段的起点。在大多数情况下，我们在到达粗糙路段尽头后就停止测量，但在一次试验中，我在驶过椭圆赛道时继续测量。

此次测量称为 "Miscellaneous 02"。在测量过程中，我在椭圆赛道和粗糙路段上行驶了 3 次，因此该试验包含无损伤部分（驶经椭圆赛道的部分）和损伤部分（驶经粗糙路段的部分）。

我想通过移除无损伤的部分并只保留损伤的部分来缩短这次试验。

我在 Simcenter Testlab Neo 中准备了一个过程以缩短测量信号，如下所示。这看起来很复杂，但事实并非如此。实际的信号缩短过程只占整个过程的一小部分，其余部分是计算分析结果，以方便比较结果和输入。

在我的过程中，最重要的是用浅蓝色标明的“压缩信号”部分。

在这部分过程中，我先选择了几个控制通道。在本例中，这些控制通道是我测量的所有应变片。
根据这些控制通道，我将使用第二种方法创建一个索引通道。在此通道中，对于贡献幅值较小的部分（总计不超过总损伤的 20%），值设为 1。这样，剩余部分（总计不超过损伤的 80%）的值将设为 0。
然后根据索引通道，下一个方法是进行实际剪切，从原始信号中移除那些对总损伤的 80% 毫无贡献的部分。在这种方法中，我还定义了衰减模式，以避免在保留的两个部分之间进行过渡时出现陡峭斜率。

为了更好地比较压缩信号和原始信号，我扩展了过程以对数据进行一些额外分析（如计算统计数据、损伤和持续时间比率以及 PSD）。

运行该过程后，我只需单击一个按钮，就能通过“透视表”和“预览显示”获得清晰简明的结果概览。

在显示图的上部，您可以看到时间序列。红色曲线是原始信号，绿色曲线是压缩信号。您立即就能发现信号受到了大幅压缩。我们将时间从大约 400 秒压缩为到略短于 21 秒（时间减少了 90%！）。
而且，只要看一下中间表格中的剩余损伤率，您就会发现输入和压缩信号的损伤几乎相同 (97%)。
在显示图底部的“以周期表示的程对”图中，您可以看到压缩信号包含的周期数比原始信号少大约 10 倍。
在“以损伤表示的程对”图中，您可以清楚地看到压缩信号仍然超过总原始损伤的 95%。

右下角的 PSD 图显示，尽管我们从信号中移除了大量内容，但该方法并没有在压缩信号中引入大量的额外能量。该方法也没有增加频率尖峰（这可能是在剪切后连接各个段造成的），并且 PSD 的整体形状仍然非常相似。

为试验台创建耐久性“数据块 - 周期测试”

我们在移除无损伤部分后创建的信号仍然是相当复杂的信号。它包含具有不同幅值、不同频率的载荷。不幸的是，许多试验台无法运行这样的信号。所以我们需要转换信号，使其具有有限数量的恒定幅值和固定频率。这就是我们所说的“数据块 - 周期测试”。

如果您的组件是较为刚性的组件并且不使用橡胶或弹性体零件，您可以采用这种方法。此外，对于单轴载荷，这种方法的效果会更好。

让我为您解释一下如何使用 Simcenter Testlab 来做。

图 7：通过“恒定幅值”测试获得更具代表性的结果 — 图 7：通过“恒定振幅”测试获得更具代表性的结果

您从原始时间序列开始（左上图）
对于这个时域信号，构建一个雨流矩阵。
然后，将雨流矩阵分为 3 个区域，分别代表组件/车辆的 3 种用例。
理论上，您可以选择在数据块 - 周期测试中使用的幅值数量，但我们大多数客户选择 3 个，以获得更具代表性的结果。
- 一个“正常”区域：例如，该区域包含 90% 的原始周期，代表正常道路（及相应的载荷）。此区域标为 3 号区域。
- 一个“偶然”区域：例如，该区域包含 9% 的原始周期，代表道路上的坑洞等。这些坑洞可能存在，但希望它们不会经常出现。这是 2 号区域。
- 一个“意外”区域：例如，该区域包含最后 1% 的原始周期，代表撞到路缘时产生的载荷等。在车辆的使用寿命内，这种情况可能只发生一两次，但会对车辆造成非常大的冲击（和损坏）。这是 1 号区域。
现在，对于三个区域中的每个区域，都取最大幅值和一个采样周期的平均值。为每个幅值计算损伤以及周期数/重复因子，以便在该总区域内获得相同的损伤。
然后，使用这 3 个幅值构建一个时域信号，并在其中重复每个幅值以造成与原始信号相同的损坏。

由于其图形的形状，我们将这个新的时域信号称为“数据块周期测试”。

现在让我们将其付诸实践吧！

作为输入数据，我将采用在石块车道中进行的一次测量。

要为试验台创建测试计划或测试信号，您通常从安装在车辆悬架上的位移传感器获取信号。在我们的例子中，我采用了从分别安装在左前轮和右前轮上的两个位移传感器中测量的信号。

因此，我将简化和转换下面两个信号，以在我的试验台中进行数据块周期测试。