一种力—位移混合控制摩托车车架疲劳试验方法

摘要

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。

主权项

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