A new approach for using road data in accelerated vehicle life tests

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2003Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2003Bu tez çalışmasının ilk bölümünde tez konusunun genel amacı ve önemi anlatılmaya çalışılmış ve konu bütünlüğü hakkında genel bilgiler verilmiştir. İkinci bölümde tuzlandırılmış ömür testi teorisi anlatılmıştır. Bu bölüm içersinde başta yol pürüzlülüğünün neden olduğu dinamik yüklemenin etkisi, çeşitli konu başlıklarıyla verilmeye çalışılmıştır. Bir taşıta gelen sinusoidal ve düzensiz yükleme kavranılan altında, hesaplamalar için gerekli denklem takımları oluşturulmuştur. Dinamik yükleme ve gerilme arasındaki ilişki anlatıldıktan sonra, yol pürüzlülüğü ve frekansın etkisine değinilmiştir. Bu konu başlığı altında son olarak, hızlandırılmış test yolunun elde edilmesi için gerekli bağıntılar çıkarılmıştır. İkinci bölümün farklı bir konu başlığı da tekerleklerde yol pürüzlülüğünden meydana gelen genliklerin hesaplanmasıdır. Bu genliklerin elde edilmesi amacıyla yol profiline bağlı uyan fonksiyonu incelenmiştir. Spektrum kavramı açıklandıktan sonra yol pürüzlülüğü spektrum yoğunluğunun bulunmasına geçilmiştir. Yol kalitelerinin veya yol pürüzlülüğü spektrum yoğunluklannm belirlenmesi ve standart hale getirilmesi hakkında teorik bilgiler verilmiştir. Bu konu başlığı altında son olarak ta, taşıt tekerleklerinde meydana gelen yol profili uyan genliklerinin hesap yöntemi verilmiş ve denklem takımları oluşturulmuştur. Bu bölümün diğer bir konu başlığı ise, düşey yol pürüzlülüğü uyarılarına karşı taşıt sisteminin cevap fonksiyonlarının elde edilmesi olmuştur. Bu sebeble iki serbestlik dereceli bir taşıt modelinin, düzensiz yol profili uyan genlikleri karşısında cevabı incelenmiş ve cevap fonksiyonu denklem takımları elde edilmiştir. İkinci bölümde son olarak Hasar teorisi başlığı allında, çeşitli çevrim sayma metodlan tanıtılmış ve hızlandırılmış ömür testi programında kullanılan rainflow çevrim sayma metodu hesap algoritması verilmiştir. Yorulmanın bir göstergesi olan Hasar' in hesaplanabilmesi için kullanılan Palmgren-Miner yöntemi anlatılmıştır. Üçüncü bölüm, ikinci bölümde teorisi anlatılan konuların ışığı altında, hızlandırılmış yol sinyali üretim yöntemini anlatmaktadır. Burada Visual Basic, Matlab gibi programlama ve mühendislik yazılımları kullanılarak yazılan, ana ve alt program ların hesaplama algoritmaları ve akış diyagramları verilmiştir. İlk olarak hızlandırılmış ömür testi teorisi yardımıyla, yol sinyalinin nasıl elde edildiği anlatılmaya çalışılmış ve yukarıda belirtildiği gibi hesaplamanın nasıl yapıldığına dair algoritmalar şematik olarak çizilmiştir. Bu bölüm içersinde farklı bir konu başlığı da, elde edilen bu yol pürüzlülüğü genliMerinin taşıta transfer edilebilmesi için gerekli hesaplamaların ve yaklaşımların nasıl yapıldığıdır. Hidrolik sarsıcıların bulunduğu deney ortamında, yerli üretim ağır vasıta bir aracın şasisi üzerinden alman genlik(deplasman)-kuwet verilerini kullanmak suretiyle, teorik gerilmelerin oluşturulduğu farklı bir konu başlığı da yine bu bölüm içinde yer almaktadır. Bu bölümde son olarak, Hasar hesaplamaları başlığı altında, rainflow çevrim sayma programının oluşturulması, teorisi bir önceki bölümde anlatılan Palmgren-Miner yöntemine göre Hasar' m elde edilmesi, ve bir başka sayma yöntemi olan Level Crossing ile seviye belirlemenin hesaplama algoritmaları anlatılmıştır. Dördüncü bölümde, ana program editörünün ve bir çok alt programın visual basic'te yazılan hızlandırılmış ömür testi programı tanıtılmaya çalışılmıştır. Program tanıtımı, sinyal üretim işlem mantığı veya sırası şeklinde yapılmıştır. Bu amaçla başta yol, test, frekans ve taşıt verilerinin programa girişi ve hızlandırılmış test Sonuçlannımn nasıl hesaplandığı açıklanmıştır. Bunu takiben, gerçek yol ve test yolu sinyalinin elde edilebilmesi için gerekli adımlar ve yaklaşımlar verilmiştir. Ardından elde edilen sinyalin taşıta transfer edilebilmesi için gerekli olan verilerin programa girilmesi ve transfer işleminin tamamlanması anlatılmıştır. Görsel açıdan olayın daha iyi anlaşılabilmesi için program tarafından çizilen grafikler de aynı anda tanıtılmaya çalışılmıştır. Bu bölüm içersinde başka bir işlem aşaması da, elde edilen sinyal dosyalarının saklanmasıdır. Bu amaçla üretilen her sinyal dosyasının veya bir kaç sinyalin birleştirilmesiyle elde edilen dosyanın işlem algoritması açısmdan, hangi isimle ve nasıl saklanmasının daha uygun olacağı hakkında bilgiler verilmiştir. Yukarıda bahsedilen deney ortamından alınan genlik-kuvvet verileri yardımıyla oluşturulacak teorik gerilme için gerekli verilerin, hızlandırılmış ömür testi bilgisayar programına girilmesi ve hesaplama adımları anlatılmıştır. Bu şekilde yol pürüzlülüğünden meydana gelen ve taşıta transfer edilen genlik sinyalleri, gerilme sinyallerine dönüştürülmüş olmaktadır. Hasar' m rainflow çevrim sayma yöntemi kullanılarak hesap edilmesi, sonuçların ekrandaki görünümleri ve gerilme sinyaleri vasıtasıyla çizilen yükleme kollektifi(sıklık eğrisi) grafikleri hakkında bilgiler Hasar hesaplamaları başlığı altında anlatılmıştır. Ayrıca bu hesapların yapılabilmesi için program içersine veri tabam olarak yerleştirilmiş gerekli bazı tablo ve grafiklerin kullanımlarına da değinilmiştir. Bu bölümde son olarak Level Crossing yöntemiyle belli bir gerilme seviyesinin sinyal içersindeki miktanmn belirlenmesi için gerekli alt program ve bu programın işlem yöntemi anlatılmıştır. Beşinci bölümde ise programın verilen işlem algoritması altında nasıl çalıştığını ve üretilen sinyallerde Hasar'ın denkliğinin nasıl sağlandığım göstermek amacıyla örnek bir yol sinyali üretilmiştir. Belli yol kalitelerindeki sinyalerin Hasar eşitliklerini sağlamak amacıyla, başta Dizayn ve Test spektrum kavranılan açıklanmış ve bir taşıtın ömrü boyunca gidebileceği yol için dizayn spektrumu yol sinyalleri üretilmiştir. Bu dizayn spektrumu yol sinyallerine karşılık gelen Hasar eşitlikleri sağlandıktan sonra, hızlandırılmış test yolu spektrum sinyalleri üretilmiştir. Ayrıca bu konu başlığı altında iki farklı yaklaşım yöntemi kullanmak suretiyle aracın Ömrü boyunca gideceği yola karşılık gelen Hasar ve gerilme seviyesi miktarları bulunmaya çalışılmıştır. Bu bölümde son olarak, farklı yol kaliteleri için elde edilen hızlandırılmış test spektrum smyallerinin, hidrolik sarsıcı sisteminde çalınabilmesi için gerekli olan toplam sinyalin nasıl elde edildiği açıklanmıştır. Altıncı ve son bölümde, konunun bütününü kapsayan sonuçlar, öneriler ve ileriye yönelik yapılabilecek çalışmalar hakkında bilgiler verilmiştir. Tezin arka kapağının iç kısmında, 1025 veri işleyebilme ile sınırlandırılan hızlandırılmış ömür testi demo programı bir CD içinde verilmiştir. Programın yüklenmesi ve kurulması ile ilgili kısım bölüm 4'te anlatılmıştır. Bunun yanında, bu programın bir çok modülünün yazılı hali tezin ekler kısmına konmuştur.In the first chapter of this thesis, general purpose and importance of thesis subject have been tried to explained, and general knowledge about wholeness of the thesis subject have been given. Theory of the accelerated life test has been described in the second chapter of the thesis. In this chapter, first of all, dynamic effects arised from road roughness have been explained using with various headlines. According to concept of the sinusoidal and random loading acting on a vehicle, equations needed for calculations have been constituted. After relationship between dynamic loading and stress has been described, influences of the road roughness and frequency have been mentioned. Lastly, under this subject headline, correlations required for accelerated test road have been obtained Different subject headline of the second chapter is also calculations for amplitudes of the vehicle wheels arised from road roughness. Excitation function dependent on road profile have been examined for getting this amplitudes. After spectrum concept has been explained, calculations for spectrum density of the road roughness have been mentioned. Theoretical information about determining road qualities or spectrum density of road roughness and standardizing of these has been given. At the last of this subject headline, calculation method of the excitation amplitudes arised on the vehicle wheels has been explained, and equations have been formed. Finding response functions of the vehicle system against to the vertical road roughness excitation is also other subject headline of this chapter. For this reason, response of a vehicle model of two degree of freedom under the excitation amplitudes of random road roughness has been examined, and equations of response functions have been formed. In second chapter, lastly, under the headline of the damage theory, various cycle counting methods have been introduced, and calculation algorithm of rainflow cycle counting process used in accelerated life test software, has been given. Palmgren- Miner rule using with calculating the damage, which is a sign of the fatigue, has been explained. Third chapter describes producing procedure of the accelerated road signal under theory of the second chapter subjects. In this chapter, calculations algorithms and flow charts of the main and sub program written in visual basic program language and Matlab engineering software have been given. First of all, how the road signal aid with accelerated life test theory is calculated, has been tried to explained, and as it is stated above, flow charts have been drawn how the calculations done. Under the different subject headline in this chapter, how the necessary calculations and approaches have been done in order to transfer the road roughness amplitudes to the vehicle. Theoretical stresses have been constituted using with amplitude-force data measured on chassis of a domestic heavy vehicle on the hydraulic shakers in the laboratory. This calculation is also given as a different subject headline in this chapter. At the last of the this section, under the damage calculations headline, after forming the rainfiow cycle counting program, damage calculations are done according to the Palmgren-Miner rule, and level determining calculation algorithm have been explained using with other cycle counting algorithm which is level crossing. In the fourth chapter, accelerated life test software forming main and most sub program written in visual basic program language has been tried to introduce. This software information has been given as logic of the producing signal procedure or sequences. For this reason, entering road, test, frequency and vehicle data, and how the accelerated life test results can be obtained, have been clarified. In addition to this, necessary steps and approaches for producing real road and test road signal have been explained. After this, entering necessary data to the accelerated life test program in order to transfer the produced signal to the vehicle and completing the transfer process have been described. In order to understand more clearly of this produced signal as a visual, graphics drawn by accelerated life test program have been also introduced as well. Saving or hiding the produced signal files is an other process stage in this chapter. For this reason, in respect of processing algorithm for every produced signal files or a produced signal file which is a combination of the many signals, information has been given about which name and how saving the files is more suitable. Entering the necessary datum to the accelerated life test program for forming the theoretical stresses that takes the aid from amplitude-force data measured by laboratory system as mentioned above, and calculation steps have been explained. Therefore, amplitudes signals arised from road roughness and transferred to the vehicle, have been converted to stress signals. Knowledge about calculating the damage using with rainfiow cycle counting method, screen appearances of the results and loading collective graphics (density curved) drawn according to the stress signals, have been stated under the damage calculations headline. Furthermore, necessary a few tables and diagrams entered as a database in the accelerated life test program for calculating this process steps, have been mentioned. Lastly, in this chapter, necessary sub program for determining amount of the certain stress level in the signal according to the level crossing method and process procedure of this program has been explained. In fifth chapter, in order to show how the damage balancing is supplied by produced signals and how the program works under the calculation algorithm, a sample accelerated road signal has been produced. In order to supply the damage equality of signals at the certain road qualities, first of all, design and test spectrum concepts have been introduced and design spectrum road signals during the vehicle life have been produced. After supplying the damage equality of the design spectrum road signal, test spectrum road signals have been produced. Furthermore, under this subject headline, damage and amount of stress level during the vehicle life has been tried to determine using with two different approach methods. In this chapter lastly, in order to be able to run the accelerated test spectrum signals produced by different road qualities in the hydraulic shaker system, how the necessary total signals will be calculated, knowledge about this has been explained. At the last chapter of the this thesis is sixth, information about conclusions of covering the whole thesis subject, suggestions and studying will be able to done at the future, have been stated. An accelerated life test demo program CD mat is limited with 1025 data running capacity, has been covered at the end of the thesis. Knowledge about installing this software can be found in the fourth chapter. In addition to this, most modules of written visual basic program format has been jointed to the appendixDoktoraPh.D