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应用LMS测试系统进行整车道路模拟疲劳耐久试验载荷谱研究1 前言道路模拟试验是一种室内试验技术，随着随机理论、控制技术和计算机的发展，整车道路模拟试验设备也日趋完善，是考察车辆道路可靠性试验的重要手段之一，且具有试验周期短、重复性和可控性好、不受天气限制等优点，能够满足各种波形再现振动试验，是汽车开发的一项重要技术[1]。
室内道路模拟试验的主要原理是：根据用户实际道路和试验场道路对车辆的等效损伤，选择合适的试验场路面，采集汽车轴头或者车身加速度等响应信号，将采集的信号进行编辑处理，获得合适的载荷谱原始信号；运用远程控制技术，将载荷谱原始响应信号作为期望信号，利用控制软件设置白噪声驱动信号，计算出台架的频率响应函数；由采集的原始信号，经过迭代，最终求出与路面激励等效的驱动信号；最后分析原始响应信号与试验台架得出的响应信号损伤比较，从而得到试验场道路最终循环次数，将驱动信号输入，进行整车疲劳耐久试验[2]。
近年来，对乘用车道路模拟强化坏路研究相对较少，且不同的设备的技术性能都有着较大的差别，试验准备要求较高，对于试验过程中的一些问题缺乏经验。
本文详细说明了试验准备的要求；应用LMS系统中的Xpress进行路谱的采集，并介绍运用Tecware编辑和处理原始信号的技巧方法及原则；并且在迭代完毕后对载荷谱原始信号与台架目标响应信号进行损伤对比，确定最终的试验循环次数。
2载荷谱的采集要进行台架试验首选要进行载荷谱的采集，实验台为四通道道路模拟试验台，因此需要采集汽车轴头位置处的加速度信号，以轴头对应的车身的侧位置作为过程辅助参考点，如图1、2所示：图1左前轴头加速度传感器安装位置图2车身加速度传感器安装位置传感器的安装原则是不论在车身还是在车轮上，传感器尽量布置在汽车的刚体位置，能够准确反映路面不平度；传感器的测量方向要尽量与车轮或车身的振动方向保持一致；确保传感器固定牢固，传感器及传感器走线不与车辆各部位产生干涉；对各传感器布置位置进行拍照，以便与台架试验时传感器保持一致[3]。
汽车道路模拟试验路谱迭代“实车道路采谱试验就是为了得到汽车在实际道路行驶中的载荷（应变、加速度、力等信息），在该车的实际运用地区的公路以及试验场进行的实车道路试验。
实车道路试验在汽车开发过程中占有十分重要的地位，通过道路试验可以分别评价汽车的耐久性、舒适性和安全性等个方面，同时考察各个系统和总成的性能。
”实车道路采谱试验就是为了得到汽车在实际道路行驶中的载荷（应变、加速度、力等信息），在该车的实际运用地区的公路以及试验场进行的实车道路试验。
实车道路试验在汽车开发过程中占有十分重要的地位，通过道路试验可以分别评价汽车的耐久性、舒适性和安全性等个方面，同时考察各个系统和总成的性能。
道路试验是汽车开发过程中不可或缺的重要阶段，它包括在高速公路、普通路面、恶劣道路以及各种特殊路面上的测试，是一种检验汽车性能的有效手段。
由于西方国家的路面条件与我国实际情况存在较大差异，因而难以参考国外引进的试验规范和试验路面谱，例如福特公司的JerryZ. Wang和Mark W. Muddiman等人曾于1996年至1997年对中国用户道路载荷谱与福特公司在美国和比利时的试车场道路载荷谱进行了比较研究，发现在国外某种道路路面上不会发生故障的零部件却在国内出现刚度强度问题。
另外我国幅员辽阔，各地道路情况差异较大，因而也有必要对典型地区道路载荷谱进行分析，找出其与试车场道路载荷谱对应关系，可为制定适合我国的试验谱系及规范提供理论依据和有效参数。
将地区道路等效成试车场道路不同路段混合而成的组合路段，即得到地区道路与试验场道路载荷谱的当量关系，就可在试车场按一定比例混合各种路面来再现目标用户地区道路载荷输入，进一步扩展外推后，便可了解较长里程后的损伤情况，达到加速试验的目的。
JerryZ. Wang和Mark W. Muddiman等人曾于1996年至1997年对中国用户道路载荷谱与福特公司在美国和比利时的试车场道路载荷谱进行了比较研究，发现在国外某种道路路面上不会发生故障的零部件却在国内出现刚度强度问题。
标准路面激励下的车轮动态负载分析李能; 刘春光; 燕玉林【期刊名称】《《机械设计与制造》》【年(卷),期】2019(000)008【总页数】4页(P41-44)【关键词】ADAMS; 动力学; 随机路面; 动态负载【作者】李能; 刘春光; 燕玉林【作者单位】装甲兵工程学院控制工程系北京 100072【正文语种】中文【中图分类】TH16; TJ8111 引言车辆匀速驶过平直路面会产生恒定轮胎力，由于实际道路表面形状不规则，导致轮胎受力波动，产生连续变化负载[1]。
动态负载易造成轮轴疲劳损伤，同时影响轮毂电机寿命。
因此，研究确定车轮动态负载对电机选择和车辆结构优化有重要意义。
当前有关动态负载研究，大多针对车辆部件疲劳损伤的载荷谱[2-3]。
载荷谱属于统计数据，不能实时反映车辆位置与车轮负载的关系。
道路重构技术大多采用MATLAB软件编程，过程繁琐，程序复杂。
基于ADAMS软件搭建整车动力学模型[4]，构建等级路面，研究直驶工况下不同路面与车速对车轮动态负载的影响。
2 车—路系统动力学模型2.1 整车模型搭建研究对象是包含多个精细结构的复杂系统，为简化模型只对车轮负载产生主要影响的部件建模，主要包括车身、悬架、双桥转向系统、轮胎模型。
车辆的主要技术参数，如表1所示。
车辆坐标系定义，如图1（a）所示。
X轴—车辆前进的方向，向后为正；Y轴—车身的侧向方向，指向车身右侧为正；Z轴—垂直于地面的方向，向上为正，Z轴的负方向—重力加速度的方向。
表1 整车基本性能参数Tab.1 Basic Performance Parameters项目数值车长（mm） 7 873车宽（mm） 2 936车高（至顶甲板/炮塔顶端）（mm） 2125/2 688一桥轮距（mm） 2 600二桥轮距（mm） 2 600三桥轮距（mm） 2 600四桥轮距（mm） 2 600轮胎半径（mm） 615整车质量（kg） 23 000图1 车-路系统动力学模型Fig.1 Dynamics Model of Vehicle-Road System车身是根据实车质量和转动惯量构建3D刚体模型。
基于整车动力学模型的虚拟迭代技术分析李鹏宇;尹辉俊;官勇健;柳泽田【摘要】以Adams/Car建立的整车多体动力学模型为载体,并以在试验场测试得到的轮心加速度、悬架弹簧位移和轮心力作为整车虚拟迭代的实测信号.在b软件中建立实测信号和轮心位移响应信号间的传递函数.通过传递函数反求出轮心位移,并作为输入载荷,仿真分解得到车身与底盘连接点动态载荷,作为后期虚拟疲劳试验的必要条件.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2019(000)008【总页数】4页(P70-73)【关键词】多体动力学;虚拟迭代;传递函数;载荷谱【作者】李鹏宇;尹辉俊;官勇健;柳泽田【作者单位】广西科技大学机械与交通工程学院,广西柳州545006;广西科技大学机械与交通工程学院,广西柳州545006;广西科技大学机械与交通工程学院,广西柳州545006;广西科技大学机械与交通工程学院,广西柳州545006【正文语种】中文【中图分类】U467疲劳耐久性分析是汽车安全的重要组成部分，越来越受到车企的重视。
传统的汽车疲劳耐久性分析是实车在试验场上进行的，这种方法虽然准确直接，但用时冗长，耗费过多人力物力，影响研发周期。
随着CAE技术的发展和成熟，通过虚拟仿真技术来研究疲劳耐久性问题得到广泛应用[1]。
而车身疲劳耐久性分析的关键在于车身与底盘连接点的真实载荷谱，但这些在道路测试中很难直接测得。
一种方法是建立整车多体动力学模型，在虚拟路面中仿真直接提取出车身连接点的载荷谱[2]，该方法用时短，效率高，但准确的虚拟路面的建立难度大不易获得。
另一种方法通过六分力传感器测量系统测量车辆行驶过程中轮心轴头处X、Y、Z 三个方向的力和力矩，约束车身，然后加载到多体模型上，从而提取出车身连接点处的受力载荷[3]。
该方法忽略了车身惯性的影响，对整车模型的要求高，各种参数不够准确都会对车身连接点处的载荷有很大的影响。
本研究是通过传感器和六分力传感器测量系统获得实车轮心加速度、悬架弹簧位移和轮心力，在Adams/Car建立整车模型，通过软件b采用虚拟迭代法仿真得到轮心垂向位移，并以此作为整车驱动载荷，获得车身连接点处载荷。
北京信息科技大学《机械模态分析与实验》课程报告题目模态分析的概念、应用和发展学院机电工程学院专业班级车辆工程研0901班学生姓名王群娜学号2009020041指导教师王科社模态分析的概念、应用和发展王群娜WANG Qunna（北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）摘要：作为结构动力学反问题主要研究手段的实验模态分析技术已经成为振动工程领域最重要的工具之一，本文主要介绍了模态分析理论的基本概念，应用和发展，使我们对模态分析有了一些基本的理解。
关键词：模态分析；基本概念；应用；发展11 引言作为结构动力学反问题主要研究手段的实验模态分析技术已经成为振动工程领域最重要的工具之一。
传统的实验模态分析与参数辨识技术是基于频率响应函数的测量而展开的，它要求对实际结构施加一组可控、可观的激励，同时测取其响应，通过输入输出数据辨识动力学特性。
然而，现代结构遇到的困难是，研究对象或者无法施加人工激励，如在轨飞行器等；或者人工激励代价昂贵或有破坏性，如桥梁，高耸结构、海洋平台等；或者结构在工作状态下自身承受的环境激励不可测控，如机翼颤振、桥梁风振、机床切削颤振以及地震等情形。
由此提出了只在响应可测的条件下对结构动力学参数辨识的问题，称为“工况模态分析（Operational ModalAnalysis）”。
在实际工作状况下，实测的响应更能够真实地反映结构本身的固有特征、边界条件及环境载荷特性，与主动控制、系统监测和设备健康诊断等工程应用直接相关。
所以，特别期望使用工况模态分析技术而不是传统方法来真正获得运行条件下的特征参数。
该项技术已被视为对传统方法的挑战、创新和超越，可望引起对模态分析理论及应用的全面推动。
在美国应用力学学会(SEM)主办的国际模态分析年会（IMAC）上，大约从1995年至今，每届都有大量的文献和成果发表，已成为结构动力学参数辨识研究前沿[1]。
2 模态分析的概念及基本理论2.1 概念模态分析是对一个由若干部分（或质点系）组成的以某种方式与若干无质量的刚度连接的系统进行分析，进而确定动力学特征（固有频率和模态振型）的过程。
一种基于白噪声响应的随机载荷谱识别方法王海东;牛强;李伟明;仇原鹰【摘要】基于频域内随机振动响应与载荷的关系，根据对结构控制点随机振动响应谱的预设，提出一种新的随机载荷谱简便识别方法。
首先计算结构在白噪声载荷谱下，结构控制点处的响应功率谱，即系统的频响函数；然后将控制点的期望输出响应谱与控制点在白噪声载荷谱下的响应谱相比，进而得到相应的随机载荷谱。
应用上述方法，借助于有限元仿真软件在设定控制点输出加速度响应谱为梯形谱的条件下，对某典型舱段结构进行基础加速度载荷谱逆向识别与正向检验，证明方法的有效性与准确性。
%Based on the relationship between frequency response and load in the frequency domain and assuming the prior knowledge of the frequency response spectrum of random vibration at structural control points, a new method for identifying the random load spectrum was proposed. At first, the response power spectra at the structural control points, so-called as system frequency response function, were calculated. Then, the desired response spectra at the control points were compared with those under the white noise load spectrum input, and the corresponding random load spectrum was derived. Using this method, the results of the representative finite element simulation were presented based on the assumption that the output acceleration response spectrum at the control points was trapezoidal. The reverse identification and the regular correction of the fundamental acceleration load spectrum for a typical cabin structure verified the effectiveness and precision of this method.【期刊名称】《噪声与振动控制》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】4页(P61-64)【关键词】振动与波;随机振动;载荷识别;功率谱;有限元仿真【作者】王海东;牛强;李伟明;仇原鹰【作者单位】上海航天精密机械研究所，上海 201600;中国电子科技集团第39研究所，西安 710065;上海航天精密机械研究所，上海 201600;西安电子科技大学机电工程学院，西安 710071【正文语种】中文【中图分类】TB53;TU312;O32工程中，由于实际环境的限制，很难对作用于结构的外载荷做直接测量，如飞行器在飞行过程中的动载荷、海洋平台在风浪及地震作用下受到的动载荷，机械设备传递到基座的动载荷等，因而载荷识别技术受到重视。
载荷识别根据结构的动态特性和实测的动力响应求解结构的动态载荷，为结构的设计及分析提供可靠的依据[1]。
常用的载荷识别方法分频域法和时域法两种。
周盼在对各种时域方法进行了概述与总结，并分析了各自的优缺点[2]，由于随机过程的复杂性及计算量大等原因，时域法发展不成熟。
频域法在频域内建立系统的输入输出关系，进而通过系统的输出识别动态输入。
由于频域内系统的输入输出关系是线性算子，其线性算子逆运算易于处理，因而频域载荷识别技术已取得了很大进展。
Mira Mitra和S.Gopalakrishnan[3]基于有限元的小波方法识别引起波动的脉冲载荷，并研究了小波识别的边界值处理技术。
M.C.Djamaa, N.Ouelaa[4]等用计算高阶微分的有限微分法识别薄壁柱形结构上的分布动载荷，并采用正则化技术处理由高阶微分引起的识别误差放大。
Choi等[5, 6]运用Tikhonov正则化方法，提高载荷识别结果稳定性，并分析不同正则化参数选择方法对载荷识别精度的影响。
秦远田、陈国平、张方等[7]运用张量理论在高维正交空间建立高维矩量基函数，利用其正交性质，将待识别的二维分布动载荷表示为待定系数的高维正交函数级数形式，从而识别二维分布动载荷。
刘杰[8]基于紧算子的奇异值理论，发展了两种新的正则方法，更准确稳定地实现了动态载荷的识别。
廖俊[9]基于逆虚拟激励法，提出条件数加权算法改善随机载荷识别中的矩阵“病态”导致的识别结果出现误差放大的问题。
但是上述方法由于理论的复杂性及计算量大的困难，这些成果在大型工程问题中的应用尚不多见。
本文基于频域内随机振动响应与载荷的关系，提出了一种新的频域随机载荷简便识别方法，并对某典型舱段结构进行了基础加速度载荷谱逆向识别与正向检验，验证了该方法的有效性和准确性。
1 随机载荷识别理论1.1随机载荷识别的假设条件一般，对载荷的识别问题，系统的输入（待识别载荷谱）及输出（控制谱）之间的关系都作了如下假设[7]：1）研究对象为平稳随机载荷作用下的线性时不变系统；2）用于识别的随机载荷作用位置已知而且固定；3）系统的响应全部由待识别的随机载荷产生。
1.2随机载荷识别模型一个线性系统受到随机平稳载荷作用，其载荷与响应之间的传递关系可以在时域或频域两方面进行研究。
在时域内，联系载荷x(t)与响应y(t)的桥梁是系统的脉冲响应函数h(t)；在频域内，联系载荷X(f)与响应Y(f)的桥梁是系统的频率响应函数H(f)；其传递函数关系如图1所示。
图1 系统的载荷与响应在时域内，响应y(t)与载荷x(t)之间的关系为若将式（1）两端进行傅氏变换，由卷积定理可得式（1）和式（2）是线性系统在时域内和频域内响应计算的两个基本公式，反映了系统载荷（输入）、系统响应函数（动力特性）和系统响应（输出）三者之间在时域内和频域内的关系。
通过傅氏变换，可得系统频响特性H(f)与系统脉冲响应函数h(t)之间的关系如式（3）所示系统响应的自相关函数可表示为式中Rx(τ+τ1-τ2)为载荷的自相关函数。
将式（4）等号两端进行傅氏变换，则等号两端变为载荷功率谱与响应功率谱之间的关系响应的自谱Sy(f)等于系统频响函数模的平方|H(f)|2与载荷自谱Sx(f)的乘积，H(f)为复数，其中包含着系统的幅频特性和相频特性，而| H(f)|2为实数，故在其模中保留了系统幅频特性，不再含有相频特性。
在载荷谱反向求解时，首先给系统输入幅值为1的白噪声载荷谱，即S͂x(f)=1。
由式（5）可得系统的响应功率谱为预设控制响应功率谱为Ŝ̂y(f)，则反求系统的载荷谱Ŝ̂x(f)为反求精度可通过正向检验：首先对系统施加反求的载荷谱Ŝ̂x(f)，然后计算系统在识别的载荷谱作用下，控制点的响应功率谱S y(f)，并与控制响应功率谱Ŝ̂y(f)比较，则识别效果用式（8）所示的误差来表示2 仿真算例算例模型选取某典型舱段结构，其主结构由外壳和内部4个侧板组成，如图2所示。
舱段结构的材料为LY12CZ铝合金，LY12CZ铝合金的材料参数为：弹性模量为E=2.1×1011Pa；泊松比为μ=0.3；密度为ρ=2 700 kg/m3，结构阻尼比为0.01。
为模拟舱段在随机振动台上的X轴随机振动环境，选取舱段结构外壳与振动夹具接触的4个面为约束面，如图3所示。
设模型的响应是由舱段结构的X向基础加速度载荷谱产生的。
控制舱段点A和B 的X方向加速度响应均值a=(a+a)?2的功率谱密度为梯ABAB形谱，如图4所示。
图中为双对数坐标，斜率N用分贝/倍频程（dB/oct）表示，即单位倍频程（oct）使功率谱密度值增加或者减少的分贝数（dB），根据功率谱密度斜率定义，则有式中fH为上频率（Hz），fL为下频率（Hz），WH为频率fH处的加速度功率谱密度值(g2/Hz)，WL为频率fL处的加速度功率谱密度值(g2/Hz)。
图2 典型舱段结构示意图图3 舱段结构约束示意图图4 控制点A和B的加速度均值功率谱Ŝ̂AB(f)out根据斜率公式（9）计算控制点A和B的加速度均值功率谱中的W、W值，可得：W=0.01121g2/Hz、W=0.007g2/Hz。
将写成函数形式为2在舱段约束面1—4上施加X方向的幅值为1、带宽为20 Hz～2000 Hz的白噪声基础加速度载荷谱，进行随机振动仿真分析；提取舱段控制点A和B的加速度响应均值，并计算控制点A和B的加速度响应均值a͂的功率谱密度AB结果如图5所示。
可根据随机载荷识别公式（7）反求计算约束面1—4上的基础加速度载荷谱如式（11）所示，相应载荷谱曲线如图6所示。
图5 白噪声载荷下控制点A和B的加速度响应均值功率谱S͂oABt(f)图6 反求的基础加速度载荷谱Ŝ̂in()f在舱段约束面1—4上施加上述反求的基础加速度载荷谱。
计算控制点A和B的加速度响应均值功率谱密度与所要控制点A和B的加速度均值功率谱对比如图7所示。
从图中可以看出，在识别基础加速度载荷作用下，控制点A和B的加速度响应均值功率谱与预设控制谱具有很高的吻合度。
图7 响应谱SAB(f)与控制谱Ŝ̂AB(f)outout图8是根据式（8）计算的舱段在识别基础加速度载荷谱下，控制点A和B的加速度响应均值功率谱与预设控制谱的相对误差图。
从误差图中可以看出，只有在某些主要共振频率点附近处会出现一定输出的误差，但误差均很小，最大误差为errormax=0.31 %。
图8 加速度响应功率谱相对误差图3 结语本文基于在频域内随机振动载荷与响应的关系，提出了一种简便的随机载荷识别方法，并针对典型舱段结构模型，控制舱段上两点加速度响应均值功率谱为梯形谱，应用该方法识别了舱段结构约束处的基础加速度载荷谱，然后对比了舱段结构在该识别载荷谱作用下的两点加速度响应均值功率谱与控制谱，得到最大相对误差为errormax=0.31 %，具有很高的精度，验证了该方法的准确性和有效性。
【相关文献】[1]胡寅寅，率志君，李玩幽，等.设备载荷识别与激励源特性的研究现状[J].噪声与振动控制，2011，31(4)：1-5.[2]周盼，张权，率志君，等.动载荷识别时域方法的研究现状与发展趋势[J].噪声与振动控制，2014，34(1)：6-11.[3]Mita M, Gopalakrishnan S.Spectrally formulated wavelet finite element for wavepropagation and impact force identification in connected 1- Dwaveguides[J].International Journal of Solids and Structures, 2005, 42(16-17): 4695-4721. [4]Djamaa M C, Ouelaa N.Reconstruction of a distributed force applied on a thin cylindricalshell by an inverse method and spatial filtering[J].Journal of Sound and Vibration, 2007, 301(3-5): 560-575.[5]Choi H G, Thite A N, Thompson D J.A threshold for the use of Tikhonov regularizationin inverse force determination[J].AppliedAcoustics,2006,67(7):700-719.[6]Choi H G, Thite A N, Thompson D parison of methods for parameter selection in Tikhonov regularization with application to inverse force determination[J].Journal of Sound and Vibration, 2007, 304(3-5): 894-917.[7]秦远田，陈国平，张方.二维分布动载荷识别的矩量方法[J].振动、测试与诊断，2012，32(1)：34-41.[8]刘杰.动态载荷识别的计算反求技术研[D].长沙：湖南大学，2011.[9]廖俊.基于正交分解的随机振动响应分析与随机载荷识别研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2011.。
