CN115221607B - 疲劳分析方法、终端及存储介质 - Google Patents

疲劳分析方法、终端及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种疲劳分析方法，应用于车辆的排气系统，包括：对车辆进行仿真行驶测试；根据仿真行驶测试结果得到排气系统中挂钩的载荷时域信号；根据挂钩的载荷时域信号得到排气系统的疲劳分析数据。通过上述方式，本申请能够对排气系统零件的疲劳损伤及残留寿命作出精确分析及评价，降低实车试验的资源消耗，节省开发时间及成本。

Description

疲劳分析方法、终端及存储介质
技术领域
本发明涉及汽车疲劳分析技术领域，特别是涉及一种疲劳分析方法、终端及存储介质。
背景技术
在现有技术中，排气系统是内燃机汽车的重要组成部分，负责排放和降噪的作用，包括排气歧管、排气管、灭音管、尾管以及共振器等。排气系统的工作环境十分恶劣复杂，既承受高温高压气流的冲击，也承受发动机的传递振动激励和底盘系统的路面振动激励，且因发动机牵引工况及路况的频繁变化，排气系统承受交变载荷造成的疲劳应力影响。当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏。这种在交变载荷作用下材料或结构的破坏现象称为疲劳。排气系统的疲劳失效会造成发动机高温燃气泄漏，轻则影响发动机性能或致使排气系统脱落，重则造成火灾事故。相应的，排气系统疲劳可靠性作为保证汽车疲劳可靠性的关键环节，其产品的疲劳耐久性分析和寿命评价是当前排气系统开发的关键环节之一。
现有的排气系统寿命评价方法多为基于路谱采集试验和疲劳台架试验的疲劳损伤寿命计算。涉及到实车路谱数据采集和台架试验，需要对整车试验资源、台架试验资源、试验场资源、测试设备资源的支持，且需要对样件改造，传感器的布置粘贴等工作，对人力及资源成本投入高，试验周期长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种疲劳分析方法、终端及存储介质，能够对排气系统零件的疲劳损伤及残留寿命作出精确分析及评价，降低实车试验的资源消耗，节省开发时间及成本。
为解决上述技术问题，本申请提供一种疲劳分析方法，应用于车辆的排气系统，包括：
对所述车辆进行仿真行驶测试；
根据仿真行驶测试结果得到所述排气系统中挂钩的载荷时域信号；
根据所述挂钩的载荷时域信号得到所述排气系统的疲劳分析数据。
其中，所述对所述车辆进行整车仿真行驶测试，包括：
根据实际路面的几何特征和空间谱密度建立路面模型；
根据所述车辆的三维参数建立车辆模型；
在所述路面模型的预设工况下对所述车辆模型进行仿真行驶测试。
其中，所述车辆模型包括整车模型、排气管路总成模型和吊挂软垫总成模型，所述吊挂软垫用于连接所述挂钩的主动端和被动端，所述根据所述车辆的三维参数建立车辆模型，包括：
对所述车辆进行有限元网格划分；
根据所述车辆的三维参数建立整车模型；
根据所述排气系统的三维参数分别建立排气管路总成模型和吊挂软垫总成模型。
其中，所述车辆的三维参数包括硬点坐标、质量特性、衬套参数、弹簧和减震器参数、轴距轮距中一项或多项。
其中，所述根据仿真行驶测试结果得到所述排气系统中挂钩的载荷时域信号，包括：
获取所述排气系统中挂钩的加速度时域信号；
根据所述挂钩的加速度时域信号得到所述挂钩的位移量；
根据所述挂钩的位移量得到所述挂钩的载荷时域信号。
其中，所述根据所述挂钩的加速度时域信号得到所述挂钩的位移量，包括：
分别获取所述挂钩的主动端加速度时域信号和被动端加速度时域信号；
根据所述主动端加速度时域信号的二重积分得到所述主动端位移量；
根据所述被动端加速度时域信号的二重积分得到所述被动端位移量；
所述挂钩的位移量的计算公式为：
S1＝∫∫a1
S2＝∫∫a2
式中，a1为所述挂钩主动端加速度时域信号；S1为所述挂钩主动端位移量；a2为所述挂钩被动端加速度时域信号；S2为所述挂钩被动端位移量。
其中，所述根据所述挂钩的位移量得到所述挂钩的载荷时域信号，包括：
根据所述主动端位移量与所述被动端位移量的差值得到所述挂钩的位移量；
根据所述挂钩的位移量和挂吊软垫的刚度得到所述挂钩的载荷时域信号；
所述挂钩的载荷时域信号的计算公式为：
F＝K·(S1-S2)
式中，F为所述挂钩的载荷时域信号；K为吊挂软垫刚度；S1为所述挂钩主动端位所述根据所述挂钩的载荷时域信号得到所述排气系统的疲劳分析数据，包括：
根据所述挂钩的载荷时域信号得到所述排气系统的应力分布数据；
根据所述应力分布数据和所述排气系统中各零部件的疲劳参数得到所述排气系统的疲劳分析数据。
本申请还提供一种终端，包括至少一个处理器和至少一个存储器，所述至少一个存储器被耦合到所述至少一个处理器并且存储用于由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令当由所述至少一个处理器执行时，使得所述终端执行如上所述的疲劳分析方法。
本申请还提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的疲劳分析方法。
本申请的疲劳分析方法、终端及存储介质，疲劳分析方法，应用于车辆的排气系统，包括：对车辆进行仿真行驶测试；根据仿真行驶测试结果得到排气系统中挂钩的载荷时域信号；根据挂钩的载荷时域信号得到排气系统的疲劳分析数据。通过上述方式，本申请能够对排气系统零件的疲劳损伤及残留寿命作出精确分析及评价，降低实车试验的资源消耗，节省开发时间及成本。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。
附图说明
图1为本发明实施例示出的疲劳分析方法的流程示意图；
图2为本发明实施例示出的疲劳分析方法的具体流程示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本实施例中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。
再者，如同在本实施例中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
图1为本发明第一实施例示出的疲劳分析方法的流程示意图。如图1所示，本发明实施例提供的一种疲劳分析方法，包括：
步骤201：对车辆进行仿真行驶测试；
步骤202：根据仿真行驶测试结果得到排气系统中挂钩的载荷时域信号；
步骤203：根据挂钩的载荷时域信号得到排气系统的疲劳分析数据。
本实施例以虚拟仿真为核心，通过分别对路面和整车及其排气系统搭建虚拟模型之后进行仿真行驶测试，结合疲劳损伤和寿命评价手段，能够对排气系统零件的疲劳损伤及残留寿命作出精确分析及评价，降低对试验资源的消耗，节省开发时间及成本。
在一实施方式中，步骤201，对车辆进行整车仿真行驶测试，包括：
根据实际路面的几何特征和空间谱密度建立路面模型；
根据车辆的三维参数建立车辆模型；
在路面模型的预设工况下对车辆模型进行仿真行驶测试。
其中，车辆模型包括整车模型、排气管路总成模型和吊挂软垫总成模型，根据车辆的三维参数建立车辆模型，包括：
对车辆进行有限元网格划分；
根据车辆的三维参数建立整车模型；
根据排气系统的三维参数分别建立排气管路总成模型和吊挂软垫总成模型，吊挂软垫用于连接挂钩的主动端和被动端。
本实施例中，通过对实际道路试验场的测绘和数据采集，在ADAMAS软件中利用Road Builder模块构建与实际路面模型几何特征及空间谱密度相一致的虚拟数字路面模型，提高仿真路面的真实度。
需要说明的是，ADAMAS软件(Automatic Dynamic Analysis of MechanicalSystem,机械系统动力学自动分析)使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMAS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。
本实施例中，根据车辆的三维参数建立车辆模型时，首先运用Hypermesh软件进行整车有限元网格的划分，Hypermesh软件是能够与众多CAD系统和有限元求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，有助于提高有限元分析工作的质量和效率。接着在ADAMAS软件中根据车型三维数据搭建整车多刚体模型。然后再根据排气系统的三维数据在整车坐标系下搭建排气管路总成的刚体模型及吊挂软垫总成的柔性体模型。进而，搭建完成包含排气系统的整车有限元多体动力学模型，即车辆模型。
随后利用该整车动力学模型，并选择步骤1建好的数字路面模型为运动工况，进行相应路面工况下及相应车速下的整车行驶状态的仿真。
在一实施方式中，车辆的三维参数包括硬点坐标、质量特性、衬套参数、弹簧和减震器参数、轴距轮距中一项或多项，提高仿真车辆模型的精确度。
在一实施方式中，步骤202，根据仿真行驶测试结果得到排气系统中挂钩的载荷时域信号，包括：
获取排气系统中挂钩的加速度时域信号；
根据挂钩的加速度时域信号得到挂钩的位移量；
根据挂钩的位移量得到挂钩的载荷时域信号。
本实施例中，车身通过挂钩与排气系统相连，该挂钩由主动端、被动端和吊挂软垫组成。与排气系统相连的一端叫主动端，与车体相连的一边叫被动端。需要说明的是，载荷是指零件或构件工作时所承受的外力。时域信号用于描述数学函数或物理信号对时间的关系。例如一个信号的时域波形可以表达信号随着时间的变化。在研究时域的信号时，常会用示波器将信号转换为其时域的波形。
具体地，根据挂钩的加速度时域信号得到挂钩的位移量，包括：
分别获取挂钩的主动端加速度时域信号和被动端加速度时域信号；
根据主动端加速度时域信号的二重积分得到主动端位移量；
根据被动端加速度时域信号的二重积分得到被动端位移量；
挂钩的位移量的计算公式为：
S1＝∫∫a1
S2＝∫∫a2
式中，a1为挂钩主动端加速度时域信号；S1为挂钩主动端位移量；a2为挂钩被动端加速度时域信号；S2为挂钩被动端位移量。
接着，根据挂钩的位移量得到挂钩的载荷时域信号，包括：
根据主动端位移量与被动端位移量的差值得到挂钩的位移量；
根据挂钩的位移量和挂吊软垫的刚度得到挂钩的载荷时域信号；
挂钩的载荷时域信号的计算公式为：
F＝K·(S1-S2)
式中，F为挂钩的载荷时域信号；K为吊挂软垫刚度；S1为挂钩主动端位移量；S2为挂钩被动端位移量。
需要说明的是，基于以上公式即可得到单个挂钩位置处的载荷时域信号，按照相似方法可提取出排气系统中所有挂钩处的载荷时域信号，排气系统中具体的挂钩数量依据车型的不同而不同，一般除了排气系统与车身连接的挂钩之外，还有排气系统与发动机以及底盘连接的挂钩等等，本申请不作限制。可以理解地，针对包含各种挂钩类型的排气系统的疲劳分析应当皆在本申请的保护范围内。通过提取主被动端加速度信号，并通过相应的求解转换将间接信号转换为直接的力值信号，保留了原始信号的精确度，载荷输入更加准确。
在一实施方式中，步骤203，根据挂钩的载荷时域信号得到排气系统的疲劳分析数据，包括：
根据挂钩的载荷时域信号得到排气系统的应力分布数据；
根据应力分布数据和排气系统中各零部件的疲劳参数得到排气系统的疲劳分析数据。
本实施例中，使用有限元分析软件如Nastran或ABAQUS软件对排气管路总成再次进行有限元建模，将所有挂钩的载荷时域信号做为输入，经有限元分析软件计算，即可得到排气系统表面精确的应力分布输出。然后，使用疲劳分析软件如nCode或TecWare软件，将排气系统的应力分布数据映射到排气系统结构表面，同时输入排气系统零部件材料的疲劳特性参数，如排气系统零部件的S-N曲线，可求得排气系统零部件的损伤分布，即排气系统的疲劳分析数据。通过对排气系统的应力求解，避开了多体动力学中的柔性体传递求解精确度低的问题，直接基于排气系统的有限元模型进行时域激励求解，得到精确度更高的应力分布输出，疲劳损伤计算的精度也更可靠。
需要说明的是，S-N曲线用于描述材料的疲劳性能作用循环应力S与到破坏时的循环次数(或寿命)N之间的关系，以材料标准试件疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值lgN为横坐标，表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线，也称应力-寿命曲线。
图2为本发明实施例示出的疲劳分析方法的具体流程示意图。如图2所示，该方法包括以下步骤：
步骤301：虚拟数字路面模型建立
具体地，通过对实际道路试验场的测绘和数据采集，在Adams软件中利用RoadBuilder模块构建与实际路面模型几何特征及空间谱密度相一致的虚拟数字路面模型。谱密度是指当信号的频带宽度趋近于零时，每单位带宽的均方根值。
步骤302：整车多体动力学模型搭建及求解
需要说明的是，运用Hypermesh软件进行整车有限元网格的划分，进而使用Adams软件根据车型三维数据，包括硬点坐标、质量特性、衬套参数、弹簧和减震器参数、轴距轮距等，以搭建整车多刚体模型。然后再根据排气系统的三维数据在整车坐标系下搭建排气管路总成的刚体模型及吊挂软垫总成的柔性体模型，以完成包含排气系统的整车有限元多体动力学模型的搭建。随后利用该整车动力学模型，并选择步骤301建好的数字路面模型为运动工况，进行相应路面工况下及相应车速下的整车行驶状态的仿真。
步骤303：排气系统输入端载荷提取
在步骤302的仿真工况运算后，利用Adams软件中的加速度提取模块，提取排气系统挂钩端(即主动端)加速度a1时域历程谱和车身挂钩端(即被动端)加速度a2时域历程谱。提取排气系统挂钩主被动端的加速度时域信号(主动端加速度信号a1，被动段加速度信号a2)，对于加速度信号2次积分分别求取主动端位移S1，被动端位移S2。
S1＝∫∫a1
S2＝∫∫a2
式中，a1为所述挂钩主动端加速度时域信号；S1为所述挂钩主动端位移量；a2为所述挂钩被动端加速度时域信号；S2为所述挂钩被动端位移量。
基于排气系统中连接挂钩主动端和被动端的吊挂软垫的弹性体特性，主被动端力值载荷F为刚度与位移的乘值。
F＝K·(S1-S2)
式中，F为所述挂钩的载荷时域信号；K为吊挂软垫刚度；S1为所述挂钩主动端位移量；S2为所述挂钩被动端位移量。
基于以上公式即可以得到单个挂钩位置处的载荷时域信号。相应的可提取出排气系统所有挂钩处的载荷时域信号。这样提取主被动端加速度信号，并通过相应的求解转换将间接信号转换为直接的力值信号，保留了原始信号的精确度，载荷输入更加准确。
步骤304：基于多通道时域信号输入的排气系统应力求解
利用Nastran或ABAQUS软件对排气管路总成进行有限元建模，将上述步骤303的各挂钩处载荷时域信号做为输入，经软件计算，即可得到排气系统表面精确的应力分布输出。通过对排气系统的应力求解，避开了多体动力学中的柔性体传递求解精确度低的问题，直接基于排气系统的有限元模型进行时域激励求解，得到精确度更高的应力分布输出。进而，疲劳损伤计算的精度也更可靠。
步骤305：排气系统损伤寿命计算
应用nCode或TecWare疲劳分析软件，以步骤304的应力分布为结果，映射到排气系统结构表面，同时输入排气系统零部件材料的疲劳特性参数，即可求取排气系统零部件的损伤分布。
本申请实施例通过对车辆进行仿真行驶测试；根据仿真行驶测试结果得到排气系统中挂钩的载荷时域信号；根据挂钩的载荷时域信号得到排气系统的疲劳分析数据。通过上述方式，本申请能够对排气系统零件的疲劳损伤及残留寿命作出精确分析及评价，降低实车试验的资源消耗，节省开发时间及成本。
本发明实施例还提供了一种终端，包括至少一个处理器和至少一个存储器，至少一个存储器被耦合到至少一个处理器并且存储用于由至少一个处理器执行的指令，指令当由至少一个处理器执行时，使得终端执行上述实施例的疲劳分析方法。
本申请实施例还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有计算机程序指令；计算机程序指令被处理器执行时实现如上所述的疲劳分析方法。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种疲劳分析方法，应用于车辆的排气系统，其特征在于，包括：
对所述车辆进行仿真行驶测试；
根据仿真行驶测试结果得到所述排气系统中挂钩的载荷时域信号；
根据所述挂钩的载荷时域信号得到所述排气系统的疲劳分析数据；
所述根据仿真行驶测试结果得到所述排气系统中挂钩的载荷时域信号，包括：
获取所述排气系统中挂钩的加速度时域信号；
根据所述挂钩的加速度时域信号得到所述挂钩的位移量；
根据所述挂钩的位移量得到所述挂钩的载荷时域信号；
所述根据所述挂钩的加速度时域信号得到所述挂钩的位移量，包括：
分别获取所述挂钩的主动端加速度时域信号和被动端加速度时域信号；
根据所述主动端加速度时域信号的二重积分得到所述主动端位移量；
根据所述被动端加速度时域信号的二重积分得到所述被动端位移量；
所述挂钩的位移量的计算公式为：
S1＝∫∫a1
S2＝∫∫a2
式中，a1为所述挂钩主动端加速度时域信号；S1为所述挂钩主动端位移量；a2为所述挂钩被动端加速度时域信号；S2为所述挂钩被动端位移量；
所述根据所述挂钩的位移量得到所述挂钩的载荷时域信号，包括：
根据所述主动端位移量与所述被动端位移量的差值得到所述挂钩的位移量；
根据所述挂钩的位移量和挂吊软垫的刚度得到所述挂钩的载荷时域信号；
所述挂钩的载荷时域信号的计算公式为：
F＝K·(S1-S2)
式中，F为所述挂钩的载荷时域信号；K为吊挂软垫刚度；S1为所述挂钩主动端位移量；S2为所述挂钩被动端位移量。
2.根据权利要求1所述的疲劳分析方法，其特征在于，所述对所述车辆进行整车仿真行驶测试，包括：
根据实际路面的几何特征和空间谱密度建立路面模型；
根据所述车辆的三维参数建立车辆模型；
在所述路面模型的预设工况下对所述车辆模型进行仿真行驶测试。
3.根据权利要求2所述的疲劳分析方法，其特征在于，所述车辆模型包括整车模型、排气管路总成模型和吊挂软垫总成模型，所述吊挂软垫用于连接所述挂钩的主动端和被动端，所述根据所述车辆的三维参数建立车辆模型，包括：
对所述车辆进行有限元网格划分；
根据所述车辆的三维参数建立整车模型；
根据所述排气系统的三维参数分别建立排气管路总成模型和吊挂软垫总成模型。
4.根据权利要求2或3所述的疲劳分析方法，其特征在于，所述车辆的三维参数包括硬点坐标、质量特性、衬套参数、弹簧和减震器参数、轴距轮距中一项或多项。
5.根据权利要求1所述的疲劳分析方法，其特征在于，所述根据所述挂钩的载荷时域信号得到所述排气系统的疲劳分析数据，包括：
根据所述挂钩的载荷时域信号得到所述排气系统的应力分布数据；
根据所述应力分布数据和所述排气系统中各零部件的疲劳参数得到所述排气系统的疲劳分析数据。
6.一种终端，其特征在于，包括至少一个处理器和至少一个存储器，所述至少一个存储器被耦合到所述至少一个处理器并且存储用于由所述至少一个处理器执行的指令，所述指令当由所述至少一个处理器执行时，使得所述终端执行如权利要求1至5任一项所述的疲劳分析方法。
7.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序指令；所述计算机程序指令被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的疲劳分析方法。
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