CN113607423A - 一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，包括以下步骤：计算待试验的机罩总成空气动力载荷；基于计算得到的机罩总成空气动力载荷编制变幅载荷谱；基于变幅载荷谱编制单循环正弦波信号；将待试验的机罩总成固定在疲劳耐久测试设备上；疲劳耐久测试设备根据单循环正弦波信号和变幅载荷谱向待试验的机罩总成的锁扣载荷点加载，开启循环耐久试验；记录载荷点初始位和位移变化；同时观察机罩总成状态并拍照记录；根据的载荷点初始位和位移变化记录和拍照记录完成应变‑寿命图报告。本发明便于快速判断机罩耐久性能是否满足要求。

Description

一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法

技术领域

本发明属于汽车试验技术领域，具体涉及一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法。

背景技术

汽车机罩总成(由机罩内外板、锁扣加强板、铰链加强板、铰链、涂胶与焊点等组成)作为发动机舱区域的开启件,其主要安装结构由机罩铰链、机罩锁和锁扣配合固定在车身上。机罩总成受到载荷工况是汽车行驶中或顾客操作开闭时，车身传递到机罩总成上。一般应力集中在机罩铰链和机罩锁扣区域，以往机罩总成锁扣区域(指机罩锁扣加强板与机罩内板连接贴合区域)只要刚性足，耐久性基本都能满足。由于机罩锁扣区域处于CNCAP行人保护头碰硬点，当前随着CNCAP逐年的汽车车身前部行人保护标准提高，机罩总成要求具有足够的柔性，吸收碰撞的能量。因此设计机罩锁扣区域需要对锁扣加强板进行结构弱化，同时又要满足刚性和耐久性能要求，否则在汽车耐久行驶或售后市场会出现机罩锁扣区域焊点开裂或者钣金撕裂，属于重大安全风险事项。行业类考核机罩总成耐久性能有两种方式，一种是将机罩开启一定高度，进行数千次模拟客户开闭验证，属于低周疲劳耐久(载荷循环一般小于10000次)；一种是整车四通道验证，其方法是通过台架施加模拟路面冲击载荷，试验周期长(时间约30天)，模拟行驶里程相当于整车疲劳生命周期，属于高周疲劳耐久，与实际行驶比较接近。以上两种方式考核要求均是机罩总成钣金不能有裂纹。但是在售后市场上，仍然发现机罩锁扣区域出现钣金微小裂纹，引起客户抱怨。

进行金相分析此裂纹属于高周疲劳裂纹，需要进一步分析机罩锁扣区域载荷和试验方法。汽车实际行驶过程中，机罩锁扣除了受到来自于路面传递到车身，车身然后传递到机罩总成作用力外，机罩锁扣还受到空气流动产生向上的牵引力，加剧机罩锁扣区域疲劳应力水平。现有行业类机罩总成耐久性能试验方法无法覆盖这种工况。因为整车四通道验证没有风洞模拟汽车行驶产生的风压。如何通过完善车身设计验证方法进行有效的模拟验证，规避安全风险，将该问题在新车交付给客户之前高效解决，是当前汽车研发面临解决新问题。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，便于快速判断机罩耐久性能是否满足要求。

本发明采用的技术方案是：一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，包括以下步骤：

A.计算初次耐久试验应施加的机罩总成空气动力载荷；

B.基于计算得到的机罩总成空气动力载荷编制变幅载荷谱；

C.基于变幅载荷谱编制单循环正弦波信号；

D.将待试验的机罩总成固定在疲劳耐久测试设备上；

E.疲劳耐久测试设备根据单循环正弦波信号向待试验的机罩总成的锁扣载荷点加载，开启循环耐久试验；

F.记录试验的机罩总成的锁扣载荷点的初始位移和位移变化；同时观察机罩总成状态并拍照记录；

G.根据的载荷点初始位移和位移变化记录和拍照记录完成应变-寿命图报告。

上述技术方案中，步骤A具体包括以下步骤：

S1，将待试验的机罩总成置于整车坐标系下，测量待试验的机罩总成迎风面积；

S2，基于公路规定的最大车速和待试验的机罩所应用的整车可达的最大行驶速度选定汽车行驶车速值；

S3，根据《常用的空气密度表》选定空气密度值；

S4，根据待试验的机罩总成的外形选定机罩总成形状系数；

S5，根据测量所得的待试验的机罩总成迎风面积以及选定的车速值、空气密度值和机罩总成形状系数，求出待试验的机罩总成空气动力载荷。

上述技术方案中，初次耐久试验应施加的机罩总成空气动力载荷Fa的计算公式如下：

Fa＝0.5*ρ*v²*S*Cd

式中，ρ为空气密度，v为汽车行驶速度，S为待试验的机罩总成迎风面积，Cd为机罩总成形状系数。

上述技术方案中，所述变幅载荷谱的纵坐标为第N_i次耐久试验施加的机罩总成空气动力载荷Fa_i，横坐标为每个空气动力载荷对应的试验循环次数N_i；其中Fa_i＝(1+i*0.25)*Fa；N_i＝50000*i；i＝1,2,…，n。

上述技术方案中，单循环正弦波信号f(t,i)的表达式为：f(t,i)＝±Fd*sin(2π/f*t)+Fa_i；

其中，Fd为汽车行驶中机罩总成惯性载荷，根据求出的机罩总成空气动力载荷设置；Fa_i为第Ni次耐久试验施加的机罩总成空气动力载荷，f为载荷频率，t为正弦信号的荷载激励时间；横坐标为时间t，纵坐标为变幅载荷。

上述技术方案中，所述单循环正弦波信号作为疲劳耐久测试设备中液压作动器的驱动信号，所述疲劳耐久测试设备通过液压作动器向待试验的机罩总成施加不同载荷水平。

上述技术方案中，所述液压作动器上设置用于检测待试验的机罩总成锁扣处载荷点的受力情况的力传感器和用于检测待试验的机罩总成锁扣处载荷点的位置情况的位移传感器；疲劳耐久测试设备根据力传感器的实时测量信息判定液压作动器向待试验的机罩总成施加的载荷是否满足设定要求并根据判定结果做出调整；疲劳耐久测试设备根据位移传感器的实时测量信息获取待试验的机罩总成锁扣处载荷点的位移变化。

上述技术方案中，应变-寿命图报告的纵坐标为待试验的机罩总成受到的总损伤D，横坐标为试验循环次数；其中，

式中，Δε_i(i＝1,2,…，n)为第10000*i次耐久试验时待试验的机罩总成锁扣处载荷点位移变化，ε₀为初次耐久试验时待试验的机罩总成锁扣处载荷点的位移变化,k为机罩总成钣金功能失效时的循环次数；当D＝1时，认定对应的待试验的机罩总成总成钣金功能失效。

上述技术方案中，步骤F中，根据应变-寿命图获取出现总损伤剧烈变化的时刻；根据该时刻对应的拍照记录判断机罩总成的损伤的产生原因。

上述技术方案中，疲劳耐久测试设备包括相互垂直设置的垂直工作台和水平工作台；水平工作台上两侧对称分别设置有用于固定待试验的机罩总成铰链的机罩铰链右固定夹持和机罩铰链左固定夹持；垂直工作台上两侧对称分别设置有用于待试验的机罩前垫块处的机罩边缘固定机罩边缘右固定夹持和机罩边缘左固定夹持；疲劳耐久测试设备的液压作动器用于与待试验的机罩总成锁扣相接触并施加荷载。

本发明的有益效果是：本发明考虑到汽车在高速行驶中机罩总成，受到初始空气载荷和行驶悬架上下振动传递到机罩总成产生的惯性载荷，试验结果更为精准。通过本发明提供的计算方法，有效模拟空气流动产生向上的牵引力，为在空气动力载荷因素下机罩总成锁扣区域疲劳开裂问题提供新的验证途径，具有验证周期短，验证操作简单和试验资源成本低有点，在机罩总成安全性能的准确预测和验证方面具有广阔应用前景。本发明采用应变-寿命图反映耐久试验的结果，有效记录机罩耐久总损伤与载荷作用次数的关系，便于快速判断机罩耐久性能是否满足要求。

附图说明

图1是本发明具体实施例工作流程图

图2是本发明具体实施例的载荷单循环输入信号图

图3是本发明具体实施例的变幅载荷谱

图4是本发明具体实施例的应变-寿命图

图5是本发明具体实施例的机罩总成固定夹持方式。

其中:1-液压作动器；2.1-垂直工作台；2.2-水平工作台；3-机罩总成；4-机罩锁扣；5-机罩铰链右固定夹持；6-机罩铰链左固定夹持；7-机罩边缘右固定夹持；8-机罩边缘左固定夹持。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明提供了一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，包括以下步骤：

步骤1.计算待试验的机罩总成的空气动力载荷；

步骤2.基于计算得到的机罩总成的空气动力载荷编制单循环正弦波信号；

步骤3.基于计算得到的机罩总成的空气动力载荷编制变幅载荷谱；

步骤4.将待试验的机罩总成固定在疲劳耐久测试设备上；

步骤5.将变幅载荷谱代入编制单循环正弦波信号，疲劳耐久测试设备根据单循环正弦波信号和向待试验的机罩总成的锁扣载荷点加载，开启循环耐久试验；所述载荷点为在机罩锁扣啮合点；

步骤6.记录载荷点初始位移ε₀和每10000次位移变化Δε_i；同时观察机罩总成状态并拍照记录；所述初始位移和位移变化过液压作动器试验系统上电脑记录读取；

步骤7.根据的载荷点初始位移和位移变化记录和拍照记录完成应变-寿命图报告。根据应变-寿命图获取出现总损伤剧烈变化的时刻；根据该时刻对应的拍照记录判断机罩总成的损伤的产生原因。将每10000次检查拍摄照片与应力-寿命图上显示的总损伤对应，分析总损伤剧烈变化的原因，是否由于机罩总成脱胶或裂纹产生。其中总损伤剧烈变化的科室是指总损伤曲线D出现阶跃式变化,总损伤曲线一般往往是单调递增曲线。一般出现阶跃式变化时，往往是机罩总成出现钣金开裂，引起计算总损伤的位移值增大，因此需要特别注意此时机罩总成外观变化。

试验前，准备3个具有代表性的整备状态机罩(不含机罩隔音垫、垫块)，按照有关技术要求进行符合性检查(机罩涂胶，机罩焊点，包边，尺寸等)，确保符合性合格。

重复以上步骤1-7，进行第2个，第3个机罩试验。

按照抽样合格理论要求，要求3个机罩总成耐久性能均达到接受要求。当测试后有机罩总成耐久性未能达到接受要求，重点重新检查产品符合性。

步骤1公开了一种机罩外表面空气流动产生的空气动力载荷Fa计算方法，其用于机罩总成锁扣区域振动耐久试验中的液压作动器加载载荷。具体计算步骤包括：

步骤1.1，在CATIA环境中，将机罩总成放置于整车坐标系下，测量与机罩外表面的空气动力载荷Fa有关的迎风面积S，迎风面积为机罩在XY面投影面积。

步骤1.2，通过汽车在公路上行驶最大速度和汽车理论最大速度，选定代表性与机罩外表面空气动力载荷Fa的车速v。本具体实施中，行驶速度v为144km/h。

步骤1.3，通过《常用的空气密度表》，选定与机罩外表面空气动力载荷Fa有关的空气密度ρ。空气密度ρ为23℃时，干空气密度1.197kg/m³。

步骤1.4，选定与机罩外表面空气动力载荷Fa有关的机罩总成形状系数Cd。机罩总成形状系数Cd参考值为0.168，Cd值是一个无因次量，仅仅取决于形状。

步骤1.5，将与机罩外表面空气动力载荷Fa有关的各项参数，代入计算公式，求出Fa值。其中，Fa＝0.5*ρ*v²*S*Cd。

由于汽车行驶使得机罩内外表面空气流动产生压力差，从而产生向上的空气动力载荷Fa。由于机罩总外形的对称性，且机罩锁扣与机罩铰链呈三角型布置，载荷Fa中心主要集中下机罩锁扣处。载荷Fa与汽车车速v的平方，与迎风面积S和机罩形状系数成正比。

汽车行驶速度v越大，空气动力载荷Fa越大。汽车最大速度一般由两种：一个是汽车自身最高车速在汽车在最大总质量状态下,变速器挂高档,在表面坚硬、平整的水平道路上及无风、气温在18-20度环境下下行驶时所能达到的最高车速，如250km/h等；一个是在高速上《道路交通安全法》所允许的最高速度，如120km/h，代表车辆实际所行驶最高车速。一般而言，考虑车辆在公路上行驶实际工况，计算空气动力Fa汽车速度优选1.2*120km/h,即144km/h。

机罩形状系数Cd越大，空气动力载荷Fa越大。机罩外板外形均为半雨滴形，形状系数值比较小，有利于汽车行驶能耗。根据统计目前已知多款车型机罩形状系数统计，参考值为0.168左右。

汽车在高速行驶中机罩总成，除受到初始空气载荷Fa外，还受到行驶悬架上下振动传递到机罩总成产生的惯性载荷，所以机罩总成锁扣区域受到的载荷是交替载荷。机罩总成锁扣区域载荷两种载荷叠加。机罩总成锁扣区域在此载荷作用下，发生开裂的裂纹为疲劳裂纹，每一种载荷水平和每一次循环，都会对机罩总成锁扣区域钣金结构带来扰动，并且对寿命做出贡献，适用Miner线性损伤理论进行评估。

按照程序疲劳试验法，由具有不同幅度和时间长度的正弦波载荷信号按照一定的顺序向机罩总成锁扣施加载荷，模拟汽车行驶中机罩总成锁扣区域载荷状态。

此正弦波载荷信号可以表示为：

f(t,i)＝Fd*sin(2π/f*t)+Fa_i

式中，Fd为汽车行驶中机罩总成惯性载荷，Fa为汽车行驶中机罩空气动力载荷，f为载荷频率。

将汽车高速行驶中不规则，随机载荷与时间历程，转化为一系列机罩总成锁扣处受到的单循环。载荷单循环信号为正弦波，频率f是1.5Hz，频幅为机罩总成锁扣区域振动产生惯性载荷Fd。机罩总成惯性交替载荷Fd是机罩在自身质量下所产生的惯性载荷，取值与机罩空气动力载荷相关，Fd可以表达为Fd＝10/11*Fa_i。

单循环正弦波信号表达式可以转化为:

f(t,i)＝±10/11*Fa*sin(2π/1.5*t)+Fa_i，如图2所示。

其中，Fa_i为载荷循环，即变幅载荷谱。液压作动器像机罩总成锁扣施加的变幅载荷每50000次进行递增变化，即空气动力载荷Fa_i＝(1+i*0.25)*Fa(i＝1,2,…，6)；每个载荷的循环次数N_i＝50000*i(i＝1,2,…，6)，如图3所示。变幅载荷谱的横坐标载荷循环次数N_i以每50000次循环递增，对应纵坐标为循环载荷Fa₁＝Fa,Fa₂＝1.25*Fa,Fa₃＝1.5*Fa，…以25％幅度递增。t为正弦信号的载荷激励时间。t是连续的变量，是每个周期时间节点。在耐久试验中，一个正弦周期为一个循环，在一个Fa_i为载荷循环对应为50000次循环。其中，f(t,i)是作为液压作动器的正弦函数输入信号，Fa_i是f(t,i)一个参数，每单循环50000次后，Fa_i将递增变化，f(t,i)正弦信号幅度也发生变化。

根据Miner线性损伤累计理论，对于变幅载荷，如果零、构件在多个载荷F作用下，各经历一定次数循环，则其受到的总损伤可定义为:

式中，D为机罩总成钣金损伤，总损伤D＝1对应的总成钣金

将发生疲劳破坏。Δε_i(i＝1,2,…，k)为第10000*i次耐久试验时机罩总成锁扣处载荷点位移变化，ε₀为初始载荷产生的位移,k为机罩总成钣金完全开裂，功能失效时循环次数，如图4所示。接受要求为总损伤D≤1之前，机罩总成未出现疲劳破坏形成裂纹或机罩总成功能失效。

汽车行驶中机罩是关闭状态，机罩总成受机罩垫块、锁扣和铰链的约束，处于准静态状态下。因此在实物验证环境，需要通过夹具牢固固定住机罩总成铰链，机罩前垫块处的机罩边缘，如图5所示。疲劳耐久测试设备包括相互垂直设置的垂直工作台2.1和水平工作台2.2；水平工作台2.2上两侧对称分别设置有用于固定待试验的机罩总成铰链的机罩铰链右固定夹持5和机罩铰链左固定夹持6；垂直工作台2.1上两侧对称分别设置有用于待试验的机罩前垫块处的机罩边缘固定机罩边缘右固定夹持7和机罩边缘左固定夹持8；疲劳耐久测试设备的液压作动器1用于与待试验的机罩总成3的机罩锁扣4相接触并施加荷载。本发明通过设置上述系列夹具，有效保证试验过程的稳定性。

上述所描述的优选方案是指在该方案经过多次试验后得出的一个能模拟真实故障环境的验证方法。

本发明设计的考虑空气动力载荷因素的机罩总成锁扣区域耐久试验方法，创建的耐久疲劳评估和接收方法，是研究汽车机罩总成耐久性能的核心内容；创建的流程确保验证过程有效和评价结果真实可靠。该试验方法除了汽车机罩锁扣区域耐久性能进行验证评价外，也可以针对其他运载工具的开启件进行评价，因而在推广运用方面具有一定的普适性。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

A.计算初次耐久试验应施加的机罩总成空气动力载荷；

B.基于计算得到的机罩总成空气动力载荷编制变幅载荷谱；

C.基于变幅载荷谱编制单循环正弦波信号；

D.将待试验的机罩总成固定在疲劳耐久测试设备上；

E.疲劳耐久测试设备根据单循环正弦波信号向待试验的机罩总成的锁扣载荷点加载，开启循环耐久试验；

F.记录试验中的机罩总成的锁扣载荷点的初始位移和位移变化；同时观察试验中的机罩总成状态并拍照记录；

G.根据的载荷点初始位移和位移变化记录和拍照记录完成应变-寿命图报告。

2.根据权利要求1所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：步骤A具体包括以下步骤：

S1，将待试验的机罩总成置于整车坐标系下，测量待试验的机罩总成迎风面积；

S2，基于公路规定的最大车速和待试验的机罩所应用的整车可达的最大行驶速度选定汽车行驶车速值；

S3，根据《常用的空气密度表》选定空气密度值；

S4，根据待试验的机罩总成的外形选定机罩总成形状系数；

S5，根据测量所得的待试验的机罩总成迎风面积以及选定的车速值、空气密度值和机罩总成形状系数，求出待试验的机罩总成空气动力载荷。

3.根据权利要求2所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：初次耐久试验应施加的机罩总成空气动力载荷Fa的计算公式如下：

Fa＝0.5*ρ*v²*S*Cd

式中，ρ为空气密度，v为汽车行驶速度，S为待试验的机罩总成迎风面积，Cd为机罩总成形状系数。

4.根据权利要求1所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：所述变幅载荷谱的纵坐标为第N_i次耐久试验施加的机罩总成空气动力载荷Fa_i，横坐标为每个空气动力载荷对应的试验循环次数N_i；其中Fa_i＝(1+i*0.25)*Fa；N_i＝50000*i；i＝1,2,…，n。

5.根据权利要求4所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：单循环正弦波信号f(t,i)的表达式为：f(t,i)＝±Fd*sin(2π/f*t)+Fa_i；

其中，Fd为汽车行驶中机罩总成惯性载荷，根据求出的机罩总成空气动力载荷设置；Fa_i为第Ni次耐久试验施加的机罩总成空气动力载荷，f为载荷频率，t为正弦信号的荷载激励时间；横坐标为时间t，纵坐标为变幅载荷。

6.根据权利要求1所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：所述单循环正弦波信号作为疲劳耐久测试设备中液压作动器的驱动信号，所述疲劳耐久测试设备通过液压作动器向待试验的机罩总成施加不同水平载荷。

7.根据权利要求6所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：所述液压作动器上设置用于检测待试验的机罩总成锁扣处载荷点的受力情况的力传感器和用于检测待试验的机罩总成锁扣处载荷点的位置情况的位移传感器；疲劳耐久测试设备根据力传感器的实时测量信息判定液压作动器向待试验的机罩总成施加的载荷是否满足设定要求并根据判定结果做出调整；疲劳耐久测试设备根据位移传感器的实时测量信息获取待试验的机罩总成锁扣处载荷点的位移变化。

8.根据权利要求1所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：应变-寿命图报告的纵坐标为待试验的机罩总成受到的总损伤D，横坐标为试验循环次数；其中，

式中，Δε_i(i＝1,2,…，n)为第10000*i次耐久试验时待试验的机罩总成锁扣处载荷点位移变化，ε₀为初次耐久试验时待试验的机罩总成锁扣处载荷点的位移变化,k为机罩总成钣金功能失效时的循环次数；当D＝1时，认定对应的待试验的机罩总成钣金功能失效。

9.根据权利要求8所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：步骤F中，根据应变-寿命图获取出现总损伤剧烈变化的时刻；根据该时刻对应的拍照记录判断机罩总成的损伤的产生原因。

10.根据权利要求1所述的一种基于空气动力疲劳载荷的机罩总成耐久试验方法，其特征在于：疲劳耐久测试设备包括相互垂直设置的垂直工作台和水平工作台；水平工作台上两侧对称分别设置有用于固定待试验的机罩总成铰链的机罩铰链右固定夹持和机罩铰链左固定夹持；垂直工作台上两侧对称分别设置有用于待试验的机罩前垫块处的机罩边缘固定机罩边缘右固定夹持和机罩边缘左固定夹持；疲劳耐久测试设备的液压作动器用于与待试验的机罩总成锁扣相接触并施加荷载。

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