CN103398859B - 一种力—位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种力-位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法，包括如下步骤：1）对摩托车车架进行有限元分析，在耐久性试验道路上采集实际行驶时的道路载荷谱；2）对道路载荷谱进行分析处理和有效性检查，得到浓缩的载荷谱；3）将摩托车车架总成安装在试验系统上，计算频率响应函数和相干函数；4）构造出计算激励驱动信号的频率响应函数；5）从浓缩的载荷谱中提取出对应的应变信号和加速度信号，计算两个激振器的驱动信号。本发明采用力-位移混合控制方式，完全符合摩托车车架的实际受力情况，既实现了多轴向多激励试验的解耦问题，又能得到很高的模拟精度；该试验方法通过相干分析找出模拟点，并对载荷谱进行了浓缩，试验周期大大缩短。

Description

一种力—位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法

技术领域

本发明涉及一种摩托车车架疲劳试验方法，尤其涉及一种力-位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法。

背景技术

摩托车车架是摩托车最关键的承载部件，其结构强度和疲劳可靠性是摩托车最基本性能之一。无论是摩托车车架全新设计，还是改进设计和优化设计，疲劳试验是必不可少的重要环节。目前，摩托车车架的疲劳试验主要采用道路试验、试验场试验和室内台架试验。其中道路试验和试验场试验所需周期长、重复性差、危险性高，而室内台架试验因具有周期短、重复性好、安全可靠等优点，在摩托车车架疲劳试验中具有强烈的需求和广阔应用前景。由于试验装置和试验方法的欠缺，目前摩托车车架室内台架疲劳试验往往采用单一的加载方式，其装夹方式也是针对单一加载方式设定，因此其装夹和加载方式与摩托车车架实际行驶受力情况有较大差距，很难在室内准确高效考核摩托车车架疲劳可靠性。

摩托车实际行驶时，传到车架的载荷主要包括前后轮路面激励，以及发动机和前后乘员或货物的惯性动载荷，这些载荷最终传递和分布到车架。作为摩托车车架这样一个很复杂的构件，要复现车架各部分行驶载荷，可以采用很多激振器对车架不同部位进行加载，但这会使得加载系统非常复杂，而且也很难控制。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种力-位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法，该方法在试验装置较简单的情况下，实现了车架实际受力状态，从而能在室内高效准确的考核摩托车车架的疲劳性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种力-位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法，在该方法中采用了一种试验系统，该试验系统包括安装平板以及设置在安装平板上的激振器Ⅰ、力传感器、滑动平台、直线导轨、前夹具、龙门架、激振器Ⅱ、位移传感器和后夹具；所述激振器Ⅰ和直线导轨设置在龙门架的一侧，所述后夹具设置在龙门架的另一侧，且直线导轨靠近龙门架；

该试验方法包括如下步骤：

1）对摩托车车架进行有限元分析，找出摩托车车架的薄弱环节和应力集中点，并在各薄弱环节和应力集中点布置应变片，假设为n点；在车架的乘客位置和货架位置布置加速度传感器，假设为k点，按耐久性试验方法在摩托车耐久性试验道路上采集实际行驶时的道路载荷谱；

2）将采集的道路载荷谱进行分析处理和有效性检查，剔除采集的原始响应信号中应力水平较低，对疲劳损伤贡献较小的小信号分量，将载荷谱最大幅值的5%作为剔除小信号的幅值阈值，选取保留95％的损伤量编辑信号，得到浓缩的载荷谱；

3）将摩托车车架总成安装在试验系统上，前夹具与摩托车车架前立管相连，前夹具的下端通过旋转铰与滑动平台相连，滑动平台设置在直线导轨上并与直线导轨滑动配合，摩托车车架后平叉与后夹具在摩托车车架的后轴处相连，以模拟摩托车车架实际支撑方式；所述激振器Ⅰ的一端固定在安装平板上，激振器Ⅰ的另一端通过力传感器顶在滑动平台上，通过激振器Ⅰ模拟摩托车前轮对车架水平和垂直方向的激励；激振器Ⅱ的一端通过平面铰固定在龙门架上，激振器Ⅱ的另一端安装位移传感器，激振器Ⅱ的另一端竖直向下并通过平面铰与车架相连，通过激振器Ⅱ对车架施加位移；在车架的驾驶员位置通过配重块Ⅰ对车架施加惯性力，在摩托车货架的位置通过配重块Ⅱ对车架施加惯性力；在实际行驶时相同位置布置应变片和加速度传感器，激振器Ⅰ施加随机白噪声力信号x_F(t)，激振器Ⅱ施加随机白噪声位移信号x_D(t)对试验系统进行激励，同时采集各应变片和加速度测点的响应信号，假设应变点的响应信号为y_mi(t),i=1,2,...n，加速度传感器响应信号为y_ai(t),i=1,2,...k；按式（1）计算各应变的响应信号与白噪声力信号之间的频率响应函数，按式（2）计算各加速度响应信号与白噪声位移信号之间的频率响应函数，按式（3）计算应变响应信号与白噪声力信号之间的相干函数，按式（4）计算加速度响应信号与白噪声位移信号之间的相干函数：

$H_F\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{Y_m\left(\mathrm{jw}\right)}{X_F\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(1\right)$

$H_D\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{Y_a\left(\mathrm{jw}\right)}{X_D\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{\γ}}_F^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|H_F\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{Fx}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{Fx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{my}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(3\right)$

${\mathrm{\γ}}_D^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|H_D\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{Dx}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{Dx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{ay}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(4\right)$

式中：H_F(jw)—各应变点的响应信号y_mi(t)与白噪声力信号x_F(t)之间的频率响应函数，为1×n的矩阵；

H_D(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)与白噪声位移信号x_D(t)之间的频率响应函数，为1×k的矩阵；

—各应变点的响应信号y_mi(t)与白噪声力信号x_F(t)之间的相干函数，为1×n的矩阵；

—各加速度响应信号y_ai(t)与白噪声位移信号x_D(t)之间的相干函数，为1×k的矩阵；

Y_m(jw)—各应变点的响应信号y_mi(t)的傅里叶变换，为1×n的矩阵；

Y_a(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)的傅里叶变换，为1×k的矩阵；

X_F(jw)—力激励信号x_F(t)的傅里叶变换，为1×1的矩阵；

X_D(jw)—位移激励信号x_D(t)的傅里叶变换，为1×1的矩阵；

S_Fx(jw)—力激励信号x_F(t)的自功率谱密度，为1×1的矩阵；

S_Dx(jw)—位移激励信号x_D(t)的自功率谱密度，为1×1的矩阵；

S_my(jw)—各应变响应信号y_mi(t)的自功率谱密度，为n×n的对角阵；

S_ay(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)的自功率谱密度，为k×k的对角阵；

4）根据第3）步得到的频率响应函数矩阵H_F(jw)和H_D(jw)以及相关函数矩阵和找出在模拟频带范围内相干函数幅值大于等于0.9的应变响应点和加速度响应点，假设有m个应变响应点，q个加速度响应点，m≤n，q≤k；然后从H_F(jw)中提取对应m个应变点的频率响应函数，从H_D(jw)中提取对应q个加速度点的频率响应函数，分别放置在矩阵的第一行前面和第二行的后面，其余位置补充0，构造出计算激励驱动信号的频率响应函数H(jw)，其中H(jw)为2×（m+q）阶矩阵；

5）从第2）步浓缩的载荷谱中提取出第4）步中对应的应变信号和加速度信号y_d(t)，然后按式（5）计算两个激振器的驱动信号x(t)：

x(t)=IFFT{H^-1(jw)FFT[y_d(t)]}      （5）

式中：H^-1(jw)—频率响应函数H(jw)的逆；

y_d(t)—筛选出的用于室内模拟的浓缩载荷谱，

FFT—傅里叶变换；

IFFT—逆傅里叶变换；

x(t)—激振器的驱动信号，x(t)=[x₂(t),x₁₁(t)]，x₂(t)为激振器Ⅰ的激励驱动信号，x₁₁(t)为激振器Ⅱ的激励驱动信号；

6）以x(t)为激励驱动信号，对摩托车车架进行疲劳耐久性试验。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、提出的疲劳试验系统是一套多轴向多激励摩托车车架道路模拟试验系统，能够实现多轴向加载，完全符合摩托车车架的实际受力情况。

2、在摩托车车架多轴向加载中，采用力-位移混合控制方式，既实现了多轴向多激励试验的解耦问题，又能得到很高的模拟精度。

3、该试验方法通过相干分析找出模拟点，不需要进行反复迭代就能把实际信号模拟到较高精度，同时由于对载荷谱进行了浓缩，试验周期大大缩短。

附图说明

图1为试验系统的结构示意图。

附图中：1—安装平板；2—激振器Ⅰ；3—力传感器；4—滑动平台；5—直线导轨；6—摩托车车架总成；7—位移传感器；8—后夹具；9—龙门架；10—配重块Ⅱ；11—激振器Ⅱ；12—配重块Ⅰ；13—前夹具；14—旋转铰。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

一种力-位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法，在该方法中采用了一种试验系统，如图1所示，该试验系统包括安装平板1以及设置在安装平板1上的激振器Ⅰ2、力传感器3、滑动平台4、直线导轨5、前夹具13、龙门架9、激振器Ⅱ11、位移传感器7和后夹具8。激振器Ⅰ2和直线导轨5设置在龙门架9的一侧，后夹具8设置在龙门架9的另一侧，且直线导轨5靠近龙门架9。

该试验方法包括如下步骤：

1）对摩托车车架进行有限元分析，找出摩托车车架的薄弱环节和应力集中点，并在各薄弱环节和应力集中点布置应变片，假设为n点；在车架的乘客位置和货架位置布置加速度传感器，假设为k点，按耐久性试验方法在摩托车耐久性试验道路上采集实际行驶时的道路载荷谱。

2）将采集的道路载荷谱进行分析处理和有效性检查，剔除采集的原始响应信号中应力水平较低，对疲劳损伤贡献较小的小信号分量，将载荷谱最大幅值的5%作为剔除小信号的幅值阈值，选取保留95％的损伤量编辑信号，得到浓缩的载荷谱。

3）将摩托车车架总成6安装在试验系统上，前夹具13与摩托车车架前立管相连，前夹具13的下端通过旋转铰14与滑动平台4相连，滑动平台4设置在直线导轨5上并与直线导轨5滑动配合，可以适应不同车架的装夹。摩托车车架后平叉与后夹具8在摩托车车架的后轴处相连，以模拟摩托车车架实际支撑方式；所述激振器Ⅰ2的一端固定在安装平板1上，激振器Ⅰ2的另一端通过力传感器3顶在滑动平台4上，通过水平方向对滑动平台4进行力控制加载，并通过前夹具13对车架施加载荷，模拟摩托车前轮对车架水平和垂直方向的激励。激振器Ⅱ11的一端通过平面铰固定在龙门架9上，激振器Ⅱ11的另一端安装位移传感器7，激振器Ⅱ11的另一端竖直向下并通过平面铰与车架相连，两平面铰的平面为车架的纵对称平面，激振器Ⅱ11对车架进行位移（加速度）控制，通过激振器Ⅱ11对车架施加位移；在车架的驾驶员位置通过配重块Ⅰ12对车架施加惯性力，在摩托车货架的位置通过配重块Ⅱ10对车架施加惯性力；在实际行驶时相同位置布置应变片和加速度传感器，激振器Ⅰ2施加随机白噪声力信号x_F(t)，激振器Ⅱ11施加随机白噪声位移信号x_D(t)对试验系统进行激励，同时采集各应变片和加速度测点的响应信号，假设应变点的响应信号为y_mi(t),i=1,2,...n，加速度传感器响应信号为y_ai(t),i=1,2,...k；按式（1）计算各应变的响应信号与白噪声力信号之间的频率响应函数，按式（2）计算各加速度响应信号与白噪声位移信号之间的频率响应函数，按式（3）计算应变响应信号与白噪声力信号之间的相干函数，按式（4）计算加速度响应信号与白噪声位移信号之间的相干函数：

$H_F\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{Y_m\left(\mathrm{jw}\right)}{X_F\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(1\right)$

$H_D\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{Y_a\left(\mathrm{jw}\right)}{X_D\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{\γ}}_F^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|H_F\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{Fx}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{Fx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{my}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(3\right)$

${\mathrm{\γ}}_D^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|H_D\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{Dx}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{Dx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{ay}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(4\right)$

式中：H_F(jw)—各应变点的响应信号y_mi(t)与白噪声力信号x_F(t)之间的频率响应函数，为1×n的矩阵；

H_D(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)与白噪声位移信号x_D(t)之间的频率响应函数，为1×k的矩阵；

—各应变点的响应信号y_mi(t)与白噪声力信号x_F(t)之间的相干函数，为1×n的矩阵；

—各加速度响应信号y_ai(t)与白噪声位移信号x_D(t)之间的相干函数，为1×k的矩阵；

Y_m(jw)—各应变点的响应信号y_mi(t)的傅里叶变换，为1×n的矩阵；

Y_a(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)的傅里叶变换，为1×k的矩阵；

X_F(jw)—力激励信号x_F(t)的傅里叶变换，为1×1的矩阵；

X_D(jw)—位移激励信号x_D(t)的傅里叶变换，为1×1的矩阵；

S_Fx(jw)—力激励信号x_F(t)的自功率谱密度，为1×1的矩阵；

S_Dx(jw)—位移激励信号x_D(t)的自功率谱密度，为1×1的矩阵；

S_my(jw)—各应变响应信号y_mi(t)的自功率谱密度，为n×n的对角阵；

S_ay(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)的自功率谱密度，为k×k的对角阵。

4）根据第3）步得到的频率响应函数矩阵H_F(jw)和H_D(jw)以及相关函数矩阵和找出在模拟频带范围内相干函数幅值大于等于0.9的应变响应点和加速度响应点，假设有m个应变响应点，q个加速度响应点，m≤n，q≤k；然后从H_F(jw)中提取对应m个应变点的频率响应函数，从H_D(jw)中提取对应q个加速度点的频率响应函数，分别放置在矩阵的第一行前面和第二行的后面，其余位置补充0，构造出计算激励驱动信号的频率响应函数H(jw)，其中H(jw)为2×（m+q）阶矩阵。

5）从第2）步浓缩的载荷谱中提取出第4）步中对应的应变信号和加速度信号y_d(t)，然后按式（5）计算两个激振器的驱动信号x(t)：

x(t)=IFFT{H^-1(jw)FFT[y_d(t)]}     （5）

式中：H^-1(jw)—频率响应函数H(jw)的逆；

y_d(t)—筛选出的用于室内模拟的浓缩载荷谱，

FFT—傅里叶变换；

IFFT—逆傅里叶变换；

x(t)—激振器的驱动信号，x(t)=[x₂(t),x₁₁(t)]，x₂(t)为激振器Ⅰ2的激励驱动信号，x₁₁(t)为激振器Ⅱ11的激励驱动信号。

6）以x(t)为激励驱动信号，对摩托车车架进行疲劳耐久性试验。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种力-位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法，其特征在于：在该方法中采用了一种试验系统，该试验系统包括安装平板(1)以及设置在安装平板(1)上的激振器Ⅰ(2)、力传感器(3)、滑动平台(4)、直线导轨(5)、前夹具(13)、龙门架(9)、激振器Ⅱ(11)、位移传感器(7)和后夹具(8)；所述激振器Ⅰ(2)和直线导轨(5)设置在龙门架(9)的一侧，所述后夹具(8)设置在龙门架(9)的另一侧，且直线导轨(5)靠近龙门架(9)；

该试验方法包括如下步骤：

1)对摩托车车架进行有限元分析，找出摩托车车架的薄弱环节和应力集中点，并在各薄弱环节和应力集中点布置应变片，假设为n点；在车架的乘客位置和货架位置布置加速度传感器，假设为k点，按耐久性试验方法在摩托车耐久性试验道路上采集实际行驶时的道路载荷谱；

2)将采集的道路载荷谱进行分析处理和有效性检查，剔除采集的原始响应信号中应力水平较低，对疲劳损伤贡献较小的小信号分量，将载荷谱最大幅值的5％作为剔除小信号的幅值阈值，选取保留95％的损伤量编辑信号，得到浓缩的载荷谱；

3)将摩托车车架总成(6)安装在试验系统上，前夹具(13)与摩托车车架前立管相连，前夹具(13)的下端通过旋转铰(14)与滑动平台(4)相连，滑动平台(4)设置在直线导轨(5)上并与直线导轨(5)滑动配合，摩托车车架后平叉与后夹具(8)在摩托车车架的后轴处相连，以模拟摩托车车架实际支撑方式；所述激振器Ⅰ(2)的一端固定在安装平板(1)上，激振器Ⅰ(2)的另一端通过力传感器(3)顶在滑动平台(4)上，通过激振器Ⅰ(2)模拟摩托车前轮对车架水平和垂直方向的激励；激振器Ⅱ(11)的一端通过平面铰固定在龙门架(9)上，激振器Ⅱ(11)的另一端安装位移传感器(7)，激振器Ⅱ(11)的另一端竖直向下并通过平面铰与车架相连，通过激振器Ⅱ(11)对车架施加位移；在车架的驾驶员位置通过配重块Ⅰ(12)对车架施加惯性力，在摩托车货架的位置通过配重块Ⅱ(10)对车架施加惯性力；在实际行驶时相同位置布置应变片和加速度传感器，激振器Ⅰ(2)施加随机白噪声力信号x_F(t)，激振器Ⅱ(11)施加随机白噪声位移信号x_D(t)对试验系统进行激励，同时采集各应变片和加速度测点的响应信号，假设应变点的响应信号为y_mi(t),i＝1,2,...n，加速度传感器响应信号为y_ai(t),i＝1,2,...k；按式(1)计算各应变的响应信号与白噪声力信号之间的频率响应函数，按式(2)计算各加速度响应信号与白噪声位移信号之间的频率响应函数，按式(3)计算应变响应信号与白噪声力信号之间的相干函数，按式(4)计算加速度响应信号与白噪声位移信号之间的相干函数：

$H_F\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{Y_m\left(\mathrm{jw}\right)}{X_F\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(1\right)$

$H_D\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{Y_a\left(\mathrm{jw}\right)}{X_D\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{\γ}}_F^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|H_F\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{Fx}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{Fx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{my}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(3\right)$

${\mathrm{\γ}}_D^2\left(\mathrm{jw}\right)=\frac{{\left|H_D\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{Dx}}\left(\mathrm{jw}\right)\right|}^2}{S_{\mathrm{Dx}}\left(\mathrm{jw}\right)S_{\mathrm{ay}}\left(\mathrm{jw}\right)}---\left(4\right)$

式中：H_F(jw)—各应变点的响应信号y_mi(t)与白噪声力信号x_F(t)之间的频率响应函数，为1×n的矩阵；

H_D(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)与白噪声位移信号x_D(t)之间的频率响应函数，为1×k的矩阵；

—各应变点的响应信号y_mi(t)与白噪声力信号x_F(t)之间的相干函数，为1×n的矩阵；

—各加速度响应信号y_ai(t)与白噪声位移信号x_D(t)之间的相干函数，为1×k的矩阵；

Y_m(jw)—各应变点的响应信号y_mi(t)的傅里叶变换，为1×n的矩阵；

Y_a(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)的傅里叶变换，为1×k的矩阵；

X_F(jw)—力激励信号x_F(t)的傅里叶变换，为1×1的矩阵；

X_D(jw)—位移激励信号x_D(t)的傅里叶变换，为1×1的矩阵；

S_Fx(jw)—力激励信号x_F(t)的自功率谱密度，为1×1的矩阵；

S_Dx(jw)—位移激励信号x_D(t)的自功率谱密度，为1×1的矩阵；

S_my(jw)—各应变响应信号y_mi(t)的自功率谱密度，为n×n的对角阵；

S_ay(jw)—各加速度响应信号y_ai(t)的自功率谱密度，为k×k的对角阵；

4)根据第3)步得到的频率响应函数矩阵H_F(jw)和H_D(jw)以及相干函数矩阵和找出在模拟频带范围内相干函数幅值大于等于0.9的应变响应点和加速度响应点，假设有m个应变响应点，q个加速度响应点，m≤n，q≤k；然后从H_F(jw)中提取对应m个应变点的频率响应函数，从H_D(jw)中提取对应q个加速度点的频率响应函数，分别放置在矩阵的第一行前面和第二行的后面，其余位置补充0，构造出计算激励驱动信号的频率响应函数H(jw)，其中H(jw)为2×(m+q)阶矩阵；

5)从第2)步浓缩的载荷谱中提取出第4)步中对应的应变信号和加速度信号y_d(t)，然后按式(5)计算两个激振器的驱动信号x(t)：

x(t)＝IFFT{H^-1(jw)FFT[y_d(t)]}   (5)

式中：H^-1(jw)—频率响应函数H(jw)的逆；

y_d(t)—筛选出的用于室内模拟的浓缩载荷谱，

FFT—傅里叶变换；

IFFT—逆傅里叶变换；

x(t)—激振器的驱动信号，x₂(t)为激振器Ⅰ(2)的激励驱动信号，x₁₁(t)为激振器Ⅱ(11)的激励驱动信号；

6)以x(t)为激励驱动信号，对摩托车车架进行疲劳耐久性试验。