A study of vehicle fatigue damage predictions based on state estimations
Tid: Fr 2021-05-21 kl 13.00
Ämnesområde: Hållfasthetslära
Respondent: Ulrika Lagerblad , Hållfasthetslära, Scania CV AB
Opponent: Professor Costas Papadimitriou, University of Thessaly
Handledare: Professor Artem Kulachenko, Hållfasthetslära; PhD Henrik Wentzel, Scania CV AB
Abstract
Övervakningen av ett fordons status med avseende på utmattning och skador är en av grunderna för att optimera utnyttjandet av en fordonsflotta. För komponenter monterade på ett lastbilschassi är just utmattning en av huvudorsakerna till skador. Denna utmattning orsakas av vibrationer i chassiet, som i sin tur främst kommer från ojämnheter i vägen och förarens handhavande av fordonet. Då variationen av dessa vibrationer är stor så måste en pålitlig skattning av skadan baserasutmattningen vara baserad på vibrationer mätta på det enskilda fordonet. Trots detta är en sådan skattning av skada långt ifrån enkel. För att minimera kostnaden för både mätsensorer och hanteringen av data så måste fordonets vibrationer mätas väldigt glest. Dessutom är det generellt sett inte heller möjligt att mäta vibrationerna på de ställen som man tror att skadan kommer att ske.
I Artikel A presenteras ett utökat Kalmanfilter som kompletterats med en utjämningsalgoritm (hädanefter kallat utjämningsalgoritmen). Utjämningsalgoritmen används för att estimera vibrationerna överallt i ett dynamiskt system, baserat på glest inmätta accelerationer samt en numerisk modell som beskriver systemet. Accelerationsmätningar på en lastbilskomponent monterad i en vibrationsprovrigg används för att validera utjämningsalgoritmen. Den numeriska modellen har skapats utifrån en operativ modalanalys utförd på den aktuella komponenten. Det visas att utjämningsalgoritmen skattar den dynamiska responsen i systemet med hög noggrannhet.
En mer noggrann undersökning av utjämningsalgoritmen presenteras i Artikel B. När mätdata från ett komplext dynamiska system analyseras kommer både mätbrus och modellfel att inverka. I denna artikel studeras hur storleken på dessa fel påverkar pricksäkerheten och exaktheten i den estimerade dynamiska responsen. Utöver det analyseras några av de antaganden som görs i estimeringsprocessen. En känslighetsanalys visar att den anpassningsalgoritm som presenteras i Artikel A resulterar i skattningar som är både stabila och har en god avvägning mellan anpassningsbarhet och känslighet mot brus.
I Artikel C görs sedan en uppskattning av utmattningsskadan i en lastbilskomponent, detta baserat på töjningar estimerade med utjämningsalgoritmen. Genom att mäta både acceleration och töjning på en komponent monterad i en vibrationsprovrigg, och sedan använda dessa tillsammans med en numerisk finit elementmodell kan töjning skattas i flera kritiska regioner på komponenten. De skattade töjningarna används sedan för att beräkna den ackumulerade utmattningsskadan. Den beräknade delskadan stämmer väl överens med utfall från ett vibrationsutmattningsprov av den studerade komponenten.
Slutligen, i Artikel D presenteras en studie där metoden för utmattningsuppskattning som presenterats i Artikel C nu används på ett helt fordon. Med hjälp av en finit elementmodell av fordonet samt mätningar från flera hundra kilometers körning uppskattas delskadan i kritiska regioner på tre olika chassimonterade komponenter. Utjämningsalgoritmen estimerar först töjningarna i de kritiska regionerna med godtagbart resultat, trots att modellfelet är stort och antalet inmätta accelerationer är litet. Det visas att den efterföljande delskadeuppskattningen överensstämmer väl med utfall från fordon i drift.