摘要：战术车辆悬架性能的优劣直接影响到车辆的平顺性、安全性以及乘坐舒适性。在试验场道路行驶过程中，由于恶劣的路面条件，以及各种强化路，悬架系统也是最容易产生疲劳损伤的部位。因此对某型战术车辆独立悬架总成中的重要零部件载荷进行一系列信号处理，文中所有处理算法均基于MATLAB软件编写处理，最终生成八级载荷谱。为后面对悬架重要零部件做室内试验工程谱加载以及疲劳寿命分析做铺垫。
关键词：战术车辆；悬架；MATLAB；载荷谱；疲劳寿命
引言
战术车辆零部件的耐久性试验是新车型的研发过程中的重要环节。作用于零部件的载荷信息是分析零部件疲劳耐久问题的关键，原始载荷谱通常不直接用于分析零部件的疲劳耐久性问题，因为原始载荷谱中存在不产生损伤或产生损伤较小的小幅值载荷，这些小幅值载荷会影响疲劳耐久性试验的效率，加快疲劳试验台架的磨损。此外，原始载荷谱可能因存在漂移或奇异值导致分析结果误差较大。原始载荷谱需经加速编辑后用于零部件疲劳耐久性分析，可以提高疲劳试验效率、节约成本，对战术车辆研发和测试过程具有重要意义。
1、载荷数据的采集和预处理
通过某试验场过某试验场疲劳耐久测试强化道路实车采集载荷谱，采集工况包括：长波路、减速坎、铁道、石块路、方块路、中卵石路等。试验车辆选用某型军用战术车辆，路试采样频率设定1000Hz。
对于整个测试系统，由于各类传感器、测量仪器本身的精度原因，试验环境的影响以及人工操作的误差等原因，造成实测信号无法直接进行数据分析，因此需对其信号进行预处理，去掉其中的无用信号，从而得到可以进行数据处理的真实有用信号。对其进行处理的过程主要包括去趋势项、滤波、去奇异值、以及平稳性查验。
1.1 去除趋势项
测试数据的零点漂移变化较缓慢，周期一般比记录时间长（所谓零点漂移就是在随机信号中存在线性项或缓慢变化的、周期大于记录长度的非线性成分）。主要是由采集过程中外界温度、湿度以及仪器仪表和机械本身的发热等环境影响引起的。零点漂移的存在可能会导致信号失真，因此为了得到可靠信号，需对存在零点漂移的数据进行预先去除。
本文研究了最小二乘法拟合趋势项的方法，提出了基于MATLAB函数库来拟合趋势项的阶数，对车辆载荷数据进行趋势项拟合，最后用原始信号减去拟合趋势项信号，结果表明该方法对车辆载荷原始数据趋势项提取有较好的效果。
1.2 小波滤波去噪
由于实际采集到的战术车辆载荷数据中混有噪声，很难得到路面不平度数据的纯净信号，再加上轮压、车重、行驶速度和发动机振动频率等噪声的随机性。特别是当有用信号和噪声的频谱相互重叠时，无法用时域平均、相关检测等传统去噪方法处理。因此本文采用基于固定门限准则（Sqtwolog）的小波硬阈值方法，对实测车辆载荷数据进行去噪处理。
1.3 去奇异值
在数据采集过程中，由于各种干扰以及不确定因素，测得的应力时间历程会包括一些过大的峰谷值点，而这些异常的峰谷值点的值被称为奇异值，这些奇异值的产生大都是因为系统遭受了较大的外部干扰或其他原因造成了一些不真实信号，使得数据产生较大的偏差，不符合实际受力的变化规律。而这些奇异值的存在会对疲劳寿命预测产生较大的影响，研究表明，如果载荷谱的幅值误差为1%，而寿命计算误差将会达到10%。因此应该在合成外推载荷谱前必须进行奇异值的去除，奇异值去除的方法有很多，常采用的方法有：幅值门限法，梯度门限法，标准方差法等等。
三种不同的方法，其去除奇异值的原理不同，各自有各自的优缺点，适应由于不同原因产生的奇异值载荷谱，现对实际测试数据情况进行分析，最终选择用标准方差法去除奇异值。
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1.4 抽取峰谷值和去除小循环载荷
在原始数据采集的时候，一般采用较高的采样频率，这样可以使得得到的采样数据更加接近真实情况，可是同样会使数据量增大，为后续的处理工作带来不便，所以需要根据实际情况对原始数据进行处理，在进行疲劳寿命分析时，主要是基于循环进行计数的，而循环主要是由数据中的拐点构成的，非拐点对疲劳累计损伤不产生影响。在MATLAB中编程对车辆载荷数据进行处理，数据得到了很好的压缩。
小循环载荷是影响缩短试验时间的一个重要因素，其对战术车辆零部件几乎不造成损伤。如果无效幅值按着循环载荷历程最大值的10%省略，则可以省去大量的循环次数，因此无效幅值省略在一般情况下是必要的。本文根据长安大学吕鹏民教授的《大型复杂结构抗疲劳设计》建立了一种“四点法”的算法，通过MATLAB编程去除小循环。
2、载荷数据的处理
载荷谱是反映整车或者零部件载荷变化规律的载荷时间历程，经数理统计处理得到具有统计特性的表达式、图像、矩阵或频谱图的统称。载荷谱的编制主要包括统计计数、工况的合成和外推以及载荷谱的合成等步骤。
2.1 统计计数方法
载荷谱编谱方法的一个重要环节，是对实测载荷时间历程进行计数统计。两参数雨流计数是应用最广泛的计数方法。计数结果包含了不同幅值、均值载荷循环的频次，这些载荷循环构成了基本损伤单元。循环计数法实质是从疲劳损伤的角度，研究载荷基本损伤单元出现的次数，将载荷的技术过程和材料的疲劳特性建立起联系。雨流计数是双参数计数法，与其他计数法相比，可以包含载荷全循环或半循环。
2.2 当量随机循环应力幅
经雨流计数得到的是非对称循环应力谱，通常在进行结构件的疲劳寿命计算之前需要采用平均应力修正法将非对称循环应力谱转化为对称循环应力谱，从而得到当量循环应力谱，获取的对称循环应力谱才能通过使用Palmgren-Miner疲劳累计损伤理论对构件进行疲劳寿命分析。Goodman直线模型具有形式简单且能够直观地反映平均应力对疲劳极限上、下限应力以及应力幅所造成的影响等特点，因此较其他方法应用广泛，所以本文采用Goodman直线模型修正公式。
.2.3 幅值的概率分布及检验
为了对载荷的极值和频次进行外推，需根据Goodman变换后的矩阵，求出随机载荷总体的概率分布函数。经过K-S方法验证，本文测试的载荷数据的幅值符合威布尔分布，因此本文采用三参数威布尔分布来拟合幅值分布。
3、实测载荷的载荷谱编制
3.1 实测载荷的极值扩展
根据经验，在总数为106的循环中出现一次的最大载荷可以代表疲劳寿命中的极值载荷，及极值载荷的超值累计频率是10-6。因此，当由实测的载荷样本统计得出载荷概率分布时，就可以计算得到极值载荷。
3.2 载荷谱的合成
载荷谱一般分为4级、8级、16级等，本文将载荷谱的载荷幅值分为了8级，由极值载荷和八级载荷谱的系数可求得各级幅值的大小以及各级幅值对应的频次。
结束语
对基于战术车辆悬架系统载荷信号进行预处理的部分，首先基于“分段线性化”理论建立了可用于处理任何载荷信号的程序模块，其次本文用“标准方差法”来剔除信号中的奇异项，最后在载荷信号的压缩编辑中，采用“四点法”算法成功去除了信号中对疲劳损伤不做贡献的小循环，最终编制了战术车辆悬架系统在不同路况下的载荷谱。
参考文献：
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[3]吕彭民.大型复杂结构抗疲劳设计[M].西安：陕西科技出版社，1999.
论文作者:黄文豹,于淼
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
标签：载荷论文; 疲劳论文; 应力论文; 信号论文; 车辆论文; 奇异论文; 数据论文; 《电力设备》2019年第8期论文;