CN114912332B - 一种汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法，包括：1通过有限元仿真或在波纹管热点部位加装应变装置将待编位移信号转换为可编辑的应力信号；2将通过有限元仿真计算得出的疲劳热点位置应力时间序列提取出来或将应变装置的测量结果转换为应力时间序列；3设置窗口长度length，对提取的应力时间序列进行加窗处理，分成不同的小窗口并计算疲劳损伤；4设置损伤保留比proportion，将无损伤的窗口片段以及损伤低于所设置的阈值的小损伤的窗口片段对应的六个方向的位移载荷序列同步移除；5将移除的位移信号片段处加入半余弦信号作为连接信号，对连接部分进行光滑处理，形成汽车排气系统波纹管多维编制载荷谱。

Description

一种汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法

技术领域

本发明涉及汽车排气系统波纹管实际工况载荷谱的编制方法，尤其涉及一种多维耦合随机工况下汽车排气系统波纹管载荷谱编制方法。

背景技术

波纹管/伸缩管是排气系统振动解耦的关键环节，其利用自身结构的变形，包容来自发动机及车身结构之间多维随机相对位移，并同时承受发动机排气热负荷等，令其需在高温、多维振动等恶劣环境下维持工作。而其在此类环境下持续性工作对波纹管在排气系统中的可靠性有极大的挑战，因此建立对波纹管的疲劳可靠性寿命准确预测评价及优化分析体系对企业里波纹管的研发有着重要的意义。

综合来说波纹管/伸缩管主要的失效形式为高周疲劳失效，在实际测试中验证周期长，有必要基于台架试验测试，利用加速载荷谱完成产品的耐久性考核从而大大缩减验证周期。通常情况下汽车排气系统波纹管的动态载荷较小，大部分载荷时间序列几乎不会造成损伤。为缩短疲劳可靠性试验周期，探讨对道路试验采集的载荷谱进行加速编辑，以缩短试验周期。加速寿命载荷谱的编制不仅要考虑试验加速效果，同时要遵循两个基本原则：1)加速前后疲劳失效热点一致；2)加速前后疲劳损伤等效。

如何能够对从波纹管多为耦合随机工况下载荷谱编制，以缩短台架试验时间，减少开发成本成为目前需要解决的问题。

发明内容

本发明是为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出一种汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法，以期能在波纹管台架耐久性试验中，减少试验时间，从而能减少开发时间成本和物资成本，并保证试验结果的可靠性。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

本发明一种汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法的特点是应用于多维耦合随机工况下的汽车排气波纹管的疲劳寿命核算及台架试验中，并包括如下步骤：

步骤1、在汽车排气系统前后连接段之间的波纹管外侧上分别设置有上圆周安装面和下圆周安装面；

在所述上圆周安装面和下圆周安装面上分别以圆心为原点，以正北方向为x轴，以正西方向为y轴，以过圆心的垂线为z轴，相应建立顶面直角坐标系和底面直角坐标系；

在两个圆周安装面上分别设置有6个铰接点，且相邻的两个铰接点分别与圆周面上圆心连线之间的夹角小于90°，相间的两个铰接点分别与圆周面上圆心连线之间的夹角为120°；

在所述上圆周面和下圆周面的铰接点之间分别设置有非垂直连接的拉杆传感器，用于获取耦合位移数据{l_i|i＝1,2,3,4,5,6}；l_i表示第i个上下安装铰接点之间拉杆传感器的位移数据；

对所述耦合位移数据{l_i|i＝1,2,3,4,5,6}进行解耦后得到波纹管六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱；

步骤2、通过有限元仿真方法将所述六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱转换为可编辑的应力信号；将所述六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱施加在波纹管结构模型上，然后利用有限元仿真计算波纹管结构模型的疲劳寿命，并得出疲劳危险点；从而提取所述疲劳危险点的应力-时间序列；

步骤3、设置窗口长度为length，并用于对提取的应力-时间序列进行加窗处理，得到若干个具有等长小窗口的序列；

根据波纹管材料的S-N曲线以及goodman平均应力修正准则，计算出每个小窗口中应力-时间序列所对应的损伤-时间序列，从而得出整个损伤-时间序列；

步骤4、计算整个损伤-时间序列中总的损伤累计值以及每个小窗口中的损伤累计值；

设置损伤保留比为proportion，并根据所述损伤保留比proportion，从整个损伤-时间序列中标记出无损伤的窗口所对应的损伤-时间序列以及小损伤的窗口所对应的损伤-时间序列，其中，小损伤发窗口是指损伤低于所设置的损伤保留比proportion的窗口；

将标记出的损伤-时间序列所对应的六个方向的位移信号和转角载荷谱同步移除，得到移除后的各个载荷块，并使得六个方向的载荷谱相位不变；

步骤5、利用式(1)得到连接信号y₁，并加入到位移信号和转角载荷谱所移除的各个位置中，从而形成汽车排气系统的波纹管多维编制载荷谱；

式(1)中，A为任意一个移除位置的前一个载荷块尾部的数据，A₁为相应移除位置的后一个载荷块首部的数据。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明所提出的多维耦合随机工况下波纹管载荷谱编制方法，是在波纹管的外侧加装测测试装置，并进行波纹管多维耦合载荷谱的获取，再通过有限元仿真的方法提取应力，从而计算损伤，并给损伤时间序列进行加窗处理和设定损伤保留比来进行载荷谱的编制，从而能够完成从载荷谱获得到编制一系列过程，有效获取波纹管多维耦合位移谱。

2、本发明对多维载荷进行编制，并同时删除小损伤窗口对应的各个维度的载荷片段，再对多维载荷进行载荷谱编制，从而保证了各维度载荷相位不变的情况下，提高了编制效率和计算精度，且使用比较灵活，可以在不考虑应力-载荷的关系下进行载荷谱的编制。

附图说明

图1a为本发明中六自由度波纹管外接平台工装位置的正视图；

图1b为本发明中六自由度波纹管外接平台工装位置的俯视图；

图2a为本发明中六个拉杆式传感器安装位置的正视图；

图2b为本发明中六个拉杆式传感器安装位置的俯视图；

图3为本发明实例中302.08s随机工况下传感器采集后解耦的数据时域图；

图4为本发明实例中302.08s位移载荷的无损伤及小损伤片段标记图

图5a为本发明实例中x方向位移谱编制前后对比图；

图5b为本发明实例中y方向位移谱编制前后对比图；

图5c为本发明实例中z方向位移谱编制前后对比图；

图5d为本发明实例中x轴转角载荷谱编制前后对比图；

图5e为本发明实例中x轴转角载荷谱编制前后对比图；

图5f为本发明实例中x轴转角载荷谱编制前后对比图；

图6为本发明方法的流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法，是应用于多维耦合随机工况下波纹管的载荷数据测试及编制中，该方法能够兼容再在外接或内接平台上安装拉杆传感器的安装方式，避免空间条件约束，如图1a、图1b和图2a、图2b所示，同时将测试后的载荷谱进行编制，在保证加速效率的同时使得加速前后波纹管疲劳失效热点一致以及加速前后波纹管疲劳损伤等效。

如图6所示，该汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法具体包括如下步骤：

步骤1、在汽车排气系统前后连接段之间的波纹管1外侧上分别设置有上圆周安装面2和下圆周安装面3；

在上圆周安装面2和下圆周安装面3上分别以圆心为原点，以正北方向为x轴，以正西方向为y轴，以过圆心的垂线为z轴，相应建立顶面直角坐标系和底面直角坐标系；

在两个圆周安装面上分别设置有6个铰接点，且相邻的两个铰接点分别与圆周面上圆心连线之间的夹角小于90°，相间的两个铰接点分别与圆周面上圆心连线之间的夹角为120°；传感器安装及工况数据采集，如图1a、图1b和图2a、图2b所示，

在上圆周面2和下圆周面3的铰接点之间分别设置有非垂直连接的拉杆传感器4，用于获取耦合位移数据{l_i|i＝1,2,3,4,5,6}；l_i表示第i个上下安装铰接点之间拉杆传感器4的位移数据；

对耦合位移数据{l_i|i＝1,2,3,4,5,6}通过专用的解耦软件进行解耦后得到波纹管六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱；如图3所示，为某商用车波纹管在指定坏路面上的302.08s随机工况下传感器采集数据解耦后的数据时域图；

步骤2、通过有限元仿真方法将六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱转换为可编辑的应力信号；将图3中六自由度位移载荷谱和转角载荷谱在ANSYS等仿真软件作为载荷施加在波纹管结构模型上一端，波纹管结构模型的另一端固定，通过仿真计算，将六自由度位移载荷谱和转角载荷谱转换为可编辑的应力信号；然后利用NCODE等疲劳寿命计算软件计算波纹管结构模型的疲劳寿命，并得出疲劳危险点；从而提取疲劳危险点的应力-时间序列，作为载荷谱编制的重要依据；

步骤3、设置窗口长度为length，本次对商用车在坏路面上的302.08s的位移和转角载荷谱编制时length取为3，用于对提取的应力-时间序列进行加窗处理，得到若干个具有等长小窗口的序列；

根据波纹管材料的S-N曲线以及goodman平均应力修正准则，计算出每个小窗口中应力-时间序列所对应的损伤-时间序列，从而得出整个损伤-时间序列；

步骤4、计算整个损伤-时间序列中总的损伤累计值以及每个小窗口中的损伤累计值；

设置损伤保留比为proportion，本次对商用车在坏路面上的302.08s的位移和转角载荷谱编制时proportion取为100％，并根据损伤保留比proportion，从整个损伤-时间序列中标记出无损伤的窗口所对应的损伤-时间序列以及小损伤的窗口所对应的损伤-时间序列，其中，小损伤窗口是指损伤低于所设置的损伤保留比proportion的窗口；

将标记出的损伤-时间序列所对应的六个方向的位移信号和转角载荷谱标记出来，如图4所示，阴影部分为没有损伤或者小损伤的待剪片段，将阴影部分同步移除，得到移除后的各个载荷块，并使得六个方向的载荷谱相位不变；

步骤5、利用式(1)得到连接信号y₁，并加入到位移信号和转角载荷谱所移除的各个位置中，从而形成汽车排气系统的波纹管多维编制载荷谱；

式(1)中，A为任意一个移除位置的前一个载荷块尾部的数据，A₁为相应移除位置的后一个载荷块首部的数据。

通过载荷的编辑和光滑连接处理，可以得到六个通道的加速载荷谱。图5a为本发明实例中x方向位移谱编制前后对比图，图5b为本发明实例中y方向位移谱编制前后对比图，图5c为本发明实例中z方向位移谱编制前后对比图，图5d为本发明实例中x轴转角载荷谱编制前后对比图，图5e为本发明实例中x轴转角载荷谱编制前后对比图，图5f为本发明实例中x轴转角载荷谱编制前后对比图。由图5a-图5b可以看出原始谱为302.08s，编辑之后的加速载荷-时间序列为73.94s，加速谱缩短至原始谱的24.48％，加速效果良好。

Claims (1)

1.一种汽车排气系统波纹管的载荷谱编制方法，其特征是应用于多维耦合随机工况下的汽车排气波纹管的疲劳寿命核算及台架试验中，并包括如下步骤：

步骤1、在汽车排气系统前后连接段之间的波纹管(1)外侧上分别设置有上圆周安装面(2)和下圆周安装面(3)；

在所述上圆周安装面(2)和下圆周安装面(3)上分别以圆心为原点，以正北方向为x轴，以正西方向为y轴，以过圆心的垂线为z轴，相应建立顶面直角坐标系和底面直角坐标系；

在两个圆周安装面上分别设置有6个铰接点，且相邻的两个铰接点分别与圆周面上圆心连线之间的夹角小于90°，相间的两个铰接点分别与圆周面上圆心连线之间的夹角为120°；

在所述上圆周面(2)和下圆周面(3)的铰接点之间分别设置有非垂直连接的拉杆传感器(4)，用于获取耦合位移数据{l_i|i＝1,2,3,4,5,6}；l_i表示第i个上下安装铰接点之间拉杆传感器(4)的位移数据；

对所述耦合位移数据{l_i|i＝1,2,3,4,5,6}进行解耦后得到波纹管六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱；

步骤2、通过有限元仿真方法将所述六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱转换为可编辑的应力信号；将所述六个自由度的位移载荷谱和转角载荷谱施加在波纹管结构模型上，然后利用有限元仿真计算波纹管结构模型的疲劳寿命，并得出疲劳危险点；从而提取所述疲劳危险点的应力-时间序列；

步骤3、设置窗口长度为length，并用于对提取的应力-时间序列进行加窗处理，得到若干个具有等长小窗口的序列；

根据波纹管材料的S-N曲线以及goodman平均应力修正准则，计算出每个小窗口中应力-时间序列所对应的损伤-时间序列，从而得出整个损伤-时间序列；

步骤4、计算整个损伤-时间序列中总的损伤累计值以及每个小窗口中的损伤累计值；

设置损伤保留比为proportion，并根据所述损伤保留比proportion，从整个损伤-时间序列中标记出无损伤的窗口所对应的损伤-时间序列以及小损伤的窗口所对应的损伤-时间序列，其中，小损伤发窗口是指损伤低于所设置的损伤保留比proportion的窗口；

将标记出的损伤-时间序列所对应的六个方向的位移信号和转角载荷谱同步移除，得到移除后的各个载荷块，并使得六个方向的载荷谱相位不变；

步骤5、利用式(1)得到连接信号y₁，并加入到位移信号和转角载荷谱所移除的各个位置中，从而形成汽车排气系统的波纹管多维编制载荷谱；

式(1)中，A为任意一个移除位置的前一个载荷块尾部的数据，A₁为相应移除位置的后一个载荷块首部的数据。