汽车结构件疲劳耐久开发

Posted 2020-11-09 wangbin123

0. 汽车结构件疲劳耐久开发

汽车在行驶时不断受到由于路面不平而引起的路面冲击载荷，同时还受到转向侧向力、驱动力和制动力等的作用。这些力一般都随着时间发生变化。另外，汽车发动机本身也是一个振动源。因此汽车在行驶中处于一个相当复杂的振动环境中，其各个零部件都会受到随着时间发生变化的应力、应变的作用。经过一定的工作时间，一些零部件便会发生疲劳损坏，出现裂纹或断裂。据统计，汽车90%以上的零部件损坏都属于疲劳损坏。从汽车诞生的那一天起，疲劳耐久就是整车的重要性能。早期的汽车厂家甚至经常采用长距离耐力赛的形式来宣传自己的产品具有高度的可靠性和耐久性。比如凯迪拉克就曾通过在英国参加爬山赛事和1000英里耐力赛来打响自己的名声。
 

 

本文将简单介绍一下汽车行业中常用的结构件疲劳耐久仿真方法和一些相关的理论。主要内容包括：1，可靠性基础理论；2，金属疲劳理论；3，常见子系统和零件的结构疲劳耐久分析方法。
 

1.可靠性理论

在谈疲劳耐久的时候，往往会把可靠性、耐久性、疲劳、寿命这些名词混为一谈。这些概念相互联系又有区别。

简单来说，耐久性可以定义为“持久的能力”，或者是产品保持其购买时状态的时间；汽车耐久性定义为“汽车保持其质量和功能的使用时间”。在规定使用条件下和规定时间周期内，用户不必对耐久性产品进行修理或者更换。在汽车产品设计开发阶段，结构耐久性不仅是设计所关心的，同时也是用户希望得到评估的内容。一般来说，产品投放到市场之前，其产品均要求满足相应的耐久性指标。

对汽车企业来说，整车需要满足的耐久性最低标准通常可以定义为XX年的功能寿命和XX万Km。为了达到整车的耐久性指标，就需要整车、系统、子系统和零件满足各自的要求；将汽车耐久性指标从上至下一直到分解到子系统/零件级；对于车身和底盘，一般要求“在整车耐久性试验完成前，不应出现失效。

而疲劳是指试件或构件材料在交变应力与交变应变的作用下，裂纹萌生、扩展，直到小片脱落或断裂的过程称为疲劳。构件因发生疲劳破损而丧失正常工作性能的现象称为疲劳失效。通常，与疲劳相比，汽车耐久性的含义更为广泛，有时两者在概念上又不加以严格区别。下图就是半轴和离合器发生疲劳失效的图片。

 

而可靠性的定义是在规定条件和规定时间内产品可能完成规定功能（可靠的/存活），可能完不成规定功能（不可靠的/失效），因此：可靠度是产品在规定条件，规定时间内，完成规定功能的概率。定义产品可靠性主要有下面三个因素：

• 规定条件，比如载荷、温度、压力、振动/冲击等
• 规定时间，比如时间、里程、循环次数等寿命描述
• 规定功能，比如裂纹产生、裂纹扩展长度、功能衰退/丧失等

根据系统可靠性理论，对于整车来说，对整车、系统、子系统和部件的可靠性要求是从低到高逐级提升的。对于整车，寿命的定义一般是指B10寿命。因为汽车和零部件的失效寿命是个随机变量，具有统计 性质，一般而言符合2参数Weibel分布或者高斯分布。

 

零件的材料、加工工艺，整车的装配过程，车辆的使用过程、行驶状况等随机因素都与疲劳寿命相关。而B10寿命指的是汽车零部件达到这个寿命时发生失效的概率是10%，或者说可靠度是90%。比如某辆车的设计寿命是16万公里，有一万台转向机投入使用，在达到16万公里的行驶寿命时，共有1000台转向机发生失效，而9000台还可以正常使用，那么这个转向机的B10寿命就是16万公里。

定义好了这样一个目标，就可以在设计零件时根据基于可靠性的应力-强度干涉理论来估计产品的可靠性。既避免欠缺设计，又避免过设计。

 

下图就是典型的制定零件设计目标的过程。通过概率计算，将零件设计目标制定为25万英里时可以满足10万英里的寿命目标。
 

 

2.金属疲劳理论

2.1金属疲劳理论简史

现代的金属疲劳理论起源与第一次工业革命时期，在两百年当中逐步发展，现如今已经是一门在工程界广泛应用的学科，但同时，金属疲劳也还有许多尚未解决的问题。

• 1839年，Poncelet 首先使用“疲劳”一词。
• 1849 年，英国机械工程学会（IMechE）辩论结晶理论。
• 1864 年，Fairbairn 用交变载荷对船链进行了实验。
• 1871 年，Wohler首先对铁路车轴进行了系统的疲劳研究。发展了旋转弯曲疲劳试验，S-N曲线及疲劳极限概念。
• 1886 年，Bauschinger 首先确证了应力-应变滞回线。
• 1903 年，Ewing 和Humphrey 证明结晶理论是不正确的，指出疲劳是由于塑性变形所引起。
• 1910 年，Bairstow 调查了应变循环中的应力-应变响应，提出了循环硬化和循环软化概念。
• 1920 年，Griffith 研究了玻璃中的裂纹，由此诞生了断裂力学。
• 1955年，Manson 和Coffin 研究了应变条件控制下的疲劳，热循环、低周疲劳及塑性应变问题。
• 1959 年，Paris 首先提出了一种用断裂力学参数处理裂纹扩展的方法。
• 1961 年，Neuber建议了一种方法，估计应力集中处的弹塑性应力应变。
• 1968 年，Matsuishi 和Endo 提出了雨流循环计数方法。

疲劳耐久是一门非常古老的技术方法，现在教科书上讲到的S-N方法和疲劳极限就是Wohler在1871年通过对火车车轴进行研究后发展出来的疲劳耐久分析方法，时至今日仍然具有广泛的应用。在工程应用中，疲劳耐久的计算由许多经验公式组成。这些经验公式根据一些理论框架，从材料、零件或结构的疲劳试验数据中拟合而成，它们往往能够解决一些相对应的疲劳问题。

2.2金属疲劳失效的机理

疲劳是零件由于循环载荷引起的局部损伤的过程。材料在反复加载的作用下，即使把应力幅度严格控制在材料的弹性范围以内，也总会发生断裂，即会发生疲劳损坏。这是一个由包括零件裂纹萌生、扩展和最终断裂等组成的累积过程所导致产生的综合结果。产生疲劳失效的外因是零件受到了变化的载荷，而内因是金属中天然存在的位错、滑移带或夹杂物、疏松等能够引起高应力集中的缺陷。

 

 

 

在循环加载期间，在最高应力区域发生局部塑性变形。这种塑性变形引起零件的永久损伤和裂纹扩展。随着零件所承受的加载循环次数不断增加，裂纹长度（损伤）随之增加。在达到一定循环次数之后，裂纹将导致零件失效（断裂）。

通常，疲劳过程可以观察到以下几个阶段：1，裂纹成核；2，微观裂纹扩展；3，宏观裂纹扩展；4，最终断裂。裂纹在接近高应力集中的局部剪切面上启裂，如稳定滑移带、夹杂物、疏松或晶粒不连续分布等。局部剪切面通常发生在晶粒表面或边界之内。在这一阶段，裂纹成核是疲劳过程的第一步。一旦裂纹成核并且持续施加循环载荷，裂纹就会沿着最大切应力面和晶粒边界扩展。

 

从上图中可以看出，裂纹成核始于稳定滑移带中最高应力集中区域。第二步是裂纹扩展阶段，分为裂纹第一和第二扩展阶段。通常认为，在第一阶段，认为裂纹成核和扩展是初始微观裂纹在局部最大剪应力面上沿着大约几个晶粒的有限长度扩展。在此阶段，裂纹尖端塑性受到尖端特性、晶粒大小、方位和应力水平的极大影响，因为裂纹的大小是与材料的显微结构等量齐观的。第二阶段裂纹扩展是指宏观裂纹扩展，通常主要在主拉应力面法向扩展，部分沿着最大剪切力方向扩展。与第一阶段裂纹相比，这一阶段的宏观裂纹特性受显微结构特性的影响要小。这是因为第二阶段裂纹的裂纹尖端塑性区域要远大于材料的显微结构。

在工程应用中，通常将零件在裂纹成核和微观裂纹扩展期间的寿命长度成为裂纹萌生阶段，而将零件在宏观裂纹扩展期间的寿命长度称为裂纹扩展阶段。通常，对从萌生到扩展的过渡阶段无法做出精确的定义。但对于钢材而言，在萌生阶段结束时的裂纹尺寸大约为钢材的几个晶粒大小。此裂纹尺寸的范围一般为0.1mm~1.0mm。钢制零件的裂纹萌生阶段一般占其疲劳寿命的大部分，特别是在高周疲劳状态下（大约>10000次循环）。在低周疲劳状态下（大约<10000次循环），疲劳寿命的大部分时间耗费在裂纹扩展。由于断裂一般是突然发生的，疲劳寿命主要由裂纹形成和裂纹扩展两个阶段构成。与这两个阶段相应的寿命分别称为裂纹形成寿命和裂纹扩展寿命，它们共同构成疲劳全寿命。

 

在许多汽车零件中，有用寿命的大部分都消耗在形成1～2mm长的宏观裂纹上。比如具有轻度应力集中（理论应力集中系数Kt < 4）、由韧性金属制成、并且受到具有零或拉伸平均值的载荷历程作用的零件，就属于这种情况。

2.3名义应力法（S-N）

从19世纪中叶以来，疲劳分析和设计的标准方法都是以应力为基础的。在1852年-1870年间，德国铁路工程师奥格斯特·维勒（August Wohler）首次进行了系统性的疲劳研究。

 

现在这种恒幅应力循环疲劳试验被称为经典维勒试验。这种方法也被称为名义应力法或S-N法。S-N法有以下几个特点：

• 循环应力是疲劳失效的控制参数；
• 高周疲劳条件表现为：疲劳失效循环次数高；
• 循环加载塑性变形小。

 

 

疲劳试验期间，试样承受交变载荷的作用，直至发生疲劳失效。在试样上所施加的载荷，由恒定应力范围或恒定应力幅确定。应力范围被定义为一个循环中的最大应力和最小应力之间的代数差，应力幅等于应力范围的一半。通常，疲劳分析的法则是拉应力为正，压应力为负。应力范围或振幅的量值为可控变量，而至疲劳失效的循环次数为响应变量。至疲劳是小的循环次数为疲劳寿命，且每个循环有两次反向。通常，采用对称循环的交变加载方式进行S-N疲劳试验。
 

 

在特定的疲劳寿命区间，采用不同的对称循环应力幅分别对几个相同试样进行应力-寿命试验。将疲劳试验的数据绘制在对数坐标上，如下图所示。这条曲线被称为S-N曲线或者维勒（Wohler）曲线。负斜率的曲线或者直线部分被称为有限寿命区域，水平线被称作无限寿命区域。在S-N曲线上，负斜率线与水平线的交点称作S-N曲线的拐点，表示疲劳极限或者耐久极限。
 

 

下面这个方程表示典型的S-N曲线：
 

在采用应力方法开展疲劳分析和设计时，这个由双对数S-N曲线图得到的表达式是应用最广泛的方程，被称为巴斯坎方程。式中b为疲劳强度指数；S‘f为疲劳强度系数。要注意到，这里的应力Sa指的是循环名义应力，名义应力的确定取决于加载方式和试样结构。S-N法基于这样一个假设，具有同样名义应力的试件具有相同的寿命，它的主要局限性是没有考虑缺口根部的塑性，而这种塑性正是疲劳的原因。不能预测局部塑性和平均应力的影响。
 

2.4局部应变法（E-N）

S-N方法适用于只有弹性应力和应变存在的情况。尽管大多数零件名义上都具有循环弹性应力，但是对与有切口、焊缝和其他存在应力集中的零件，会导致零件产生局部的循环塑性变形。对于这种情况，20世纪50年代发展了一种利用局部应变作为主要疲劳参数的方法，并显示出其在零件疲劳寿命预测方面更具有有效性。

 

局部应变法基于这样一个假设，即有切口零件的裂纹成核和小裂纹扩展的疲劳寿命可以用试验室光滑试样在相同循环变形下裂纹萌生出的疲劳寿命来近似。也就是具有同样的局部应变就具有同样的裂纹起始寿命。如果载荷历程是不规律或随机的，平且认为平均应力和载荷顺序效应是非常重要的，这时应优先采用局部应变-寿命法。对长寿命预计（高周疲劳），E-N与S-N的效果接近，对低周疲劳，E-N更好。此方法分析计算的寿命理论上认为是裂纹出现阶段的寿命，常用于汽车零部件疲劳耐久分析。它的基本分析流程如下图：
 

 

金属材料的E-N曲线的获取可以遵循国标GB/T 15248-2008或者ASTM-E606，下图是两种典型的疲劳试验试样结构和几何尺寸。
 

 

试验设备一般采用液压伺服试验机与应变仪进行闭环控制，前些年笔者曾同上大合作使用电磁伺服试验机配合光学应变测量设备测试汽车用薄板的E-N曲线，精度要好很多，试验的一致性很好。
 

 

通过试验，可以获得材料的循环应力应变曲线和应变-寿命曲线并拟合处E-N曲线中的各个参数。对于一个材料力学的金属试样，我们可以很容易的计算出材料的工程应力和工程应变以及真应力和真应变。真应变由两部分组成，塑性应变和弹性应变。

 

在循环载荷作用下，材料会出现循环硬化或循环软化的现象。在瞬态循环硬化的过程中，应力随循环次数的增加而增加，在循环瞬态软化过程中，应力随循环次数的增加而减少。在这两种情况中，外加应力的变化率将会逐渐降低，应力幅将会达到一个稳定的水平（一种稳定状态），并其在以后的疲劳寿命过程中会继续保持稳定，直到出现第一道疲劳裂纹为止。
 

 

相对于整个疲劳寿命，由于这种瞬态响应的循环次数百分比非常小，瞬态循环特性采用局部应变-寿命方法的循环稳态特性进行处理。与金属晶格位错子格的稳定性相关，对铝合金之类的低位错密度软金属材料倾向于硬化，对钢之类的硬金属材料则倾向于软化。

循环稳态应力-应变是一个滞后回线，如下图所示。在加载过程中作用在材料上的弹性功和塑性功由整个应变范围和整个应力范围定义的滞后回线表示。通常，稳定的滞后回线取自疲劳寿命的1/2处。

 

当一簇具有多种应变幅水平的稳定滞后回线绘制在相同的坐标轴系中时，循环应力应变由滞后回线尖端的轨迹定义，并具有与材料力学的单向应力-应变曲线相似的如下形式。
 

除了少数材料之外，一般可以从材料的循环应力应变曲线来估计滞回环曲线，即把循环应力应变曲线增大一倍得到滞回环曲线。

 

由稳定的滞后回线和应变-寿命数据可以确定应变与寿命之间的关系，由弹性部分和塑性部分组成：
 

这个方程被称为应变-寿命方程，是基于应变法确定疲劳的基础。这个方程式两个独立曲线相叠加而成，及弹性应变幅-寿命曲线和塑性应变幅-寿命曲线。当用双对数坐标绘制时，两个曲线都变成直线。
 

 

循环应力应变曲线和应变寿命曲线组合在一起就是材料的E-N曲线。
 

 

在耐久设计中，非零平均正应力的存在可以影响材料的疲劳特性，因为拉伸或压缩平均正应力对裂纹的产生和生长具有促进或减弱的作用。试验数据证明，压缩平均正应力是有益的，而平均拉应力是有害的。结合E-N法，提出了许多用于量化平均应力对疲劳特性影响的模型。地面车辆行业通常采用的模型是莫洛模型和SWT（史密斯-沃森-腾普）模型。这些方程都是以经验为基础的，需要与试验数据进行对比，已确定哪个模型最适合。
 

 

比较有趣的是，有时候看似相似的载荷却有着不同的平均应力而导致不同的疲劳耐久寿命，比如下图的两组载荷。
 

 

材料在承受循环加载时， 其应力－应变响应表现出所谓的记忆特性。比如下图中，材料第一次受载时，其应力－应变响应按照循环应力－应变曲线从O变到A；A点以后卸载，按照滞回环曲线从A变到B；B点以后加载，按照滞回环曲线从B变到C；C点以后卸载，按照滞回环曲线从C点变到B；值得注意的是，超过B点以后，不再沿从C点开始的滞回环曲线发展下去，而是急转沿从A点开始的滞回环曲线发展，直至D点；就好像在中间没有过一个滞回环B-C-B、而直接从A变到D点一样，似乎材料“记住”了它应该有的路径。这就是材料的记忆特性。也称为材料的Baushinger效应。
 

 

在疲劳设计中，有时无法直接获得局部的塑性应变，比如在试验测试时，获得的结果往往是名义应变；有限元疲劳分析中，常常由于计算资源的限制，只计算弹性应力、应变。这个时候就要进行弹塑性修正，将弹性应力和应变修正成塑性应力和应变。最常用的修正方法是Neuber修正。Neuber假设弹性应力集中系数为真实应力和应变集中系数的几何平均值。对局部屈服应力、平面应力和单向应力有效。尽管未能计算有效截面的总屈服应力，但对大多数汽车设计应用，零件名义弹性特性的假设被认为是非常有用的。
 

 

Neuber修正还有一个很有用的应用就是根据两种材料的E-N曲线来比较他们的疲劳耐久性能，比如下图的两种材料，具有不同的的屈服强度，应变-寿命曲线是相交的，很难直接比较。但是通过Neuber修正，将他们放在应力-寿命的图上就可以很容易的比较出他们的疲劳耐久性能的差异了。
 

 

2.5其他疲劳寿命估计方法

除了S-N和E-N方法之外，断裂力学法也是应用很广泛的一种疲劳寿命估计方法，是预计裂纹扩展寿命的主要方法，但是这种方法在汽车行业中没有得到广泛的应用。这主要是因为一般难以获得典型零件的应力强度因子；在分析中难以考虑缺口根部的塑性影响等。该方法主要用于飞机、压力容器和桥梁设计中。

 

除此之外，还有很多其他的疲劳寿命估计方法，都有其特定的应用对象，这里就不逐一介绍了：

• 多轴疲劳
• 频域疲劳
• 热机疲劳
• 腐蚀疲劳
• 复合材料疲劳
• 接触疲劳
• …

2.5线性损伤模型

预测承受变载荷结构件的疲劳损伤，最简单和应用最广泛的损伤模型是线性损伤（Miner准则）。通俗点讲，就是认为每一次载荷循环造成的损伤可以线性累积，累积到一定程度就失效了。

1924年由帕姆格伦（Palmgren）首次提出线性损伤模型，并应用于瑞典的滚珠轴承行业。在1937年，兰格（Langer）在西屋电气公司发电领域从事研究工作，独立提出了用于压力容器和钢制管道系统零件的类似线性准则。1945年，在兰格工作的基础上，道格拉斯飞机公司（Douglas Aircraft）的Miner将线性损伤准则应用与飞机蒙皮材料的拉伸-拉伸轴向疲劳试验数据（24S-Talclad铝合金）。Miner证实，根据线性损伤准则预测的结果与他的实验结果之间具有非常好的一致性。这次成功的验证，将Miner的名字和线性损伤准则紧密联系在一起，线性损伤准则通常是指Miner的线性损伤准则。Miner准则简单说就是累积损伤超过1时，结构失效，是一种线性累积分析方法。Miner是不考虑载荷的加载顺序的。

 

但是，很多情况下，应用线性准则会得出偏冒险的寿命预测。这种方法取得的结果没有考虑载荷谱循环疲劳载荷造成的累计损伤的影响。自引入线性损伤准则以来，为提高疲劳耐久寿命预测的精度，提出了许多不同的疲劳损伤理论。

2.6变幅载荷下的疲劳分析

前面介绍的都是在恒幅载荷下的疲劳失效预测方法，在实际的工程实践中，很少有恒幅载荷，无论是道路载荷谱还是设计台架试验，大多是变幅载荷，此时就可以利用线性损伤模型和雨流计数来进行计算。

雨流记数法是一种两参数循环记数法，最主要的优点就是能如实再现变幅循环加载，可以识别复杂载荷序列中与恒幅疲劳数据相似的事件。

 

在随机载荷作用下，在材料中 形成的每个滞回环就构成一个疲劳损伤单元。在已知材料应变历程的情况下， 利用材料循环应力-应变曲线和雨流计数法进行局部应力-应变分析，就可以确定各个滞 回环，为计算疲劳寿命奠定基 础。这样作的本质是把一个随机载 荷信号转换成一系列的等幅载荷信号，以便利用材料的疲劳性能参数计算随机载荷信号造 成的疲劳损失。材料的疲劳性能参数都是通过等幅试验得到的。在确定了各个滞回环，并且已知材料的E-N曲线的条件下，就可以计算每个滞回环的疲劳损伤。将他们通过Miner准则叠加之后，就可以确定整段随机载荷所造成的损伤了。
 

 

3.常见子系统和零件的结构疲劳耐久分析

3.1不断进步的疲劳耐久开发方法

在汽车产业刚刚出现的时候，企业所采用的疲劳耐久开发方法是很简单的将产品交给客户，通过客户在实际使用中的反馈来改进产品。比如卡车企业，常常用一种比较悠闲的方式来进行产品开发。首先制造几辆样车，交给经过仔细选择的客户进行使用。如果发生问题，便进行改进设计，直到这些车辆能够在顾客的使用环境中“生存”为止。一旦一个新设计在几个顾客的手中得到验证，卡车制造公司便开始投产。很多卡车制造公司都采用这种开发方法，一直到20世纪50年代。这种开发方法会使一种新车型的开发时间拖得比较长。

 

 

在1920年以前，轿车、卡车的性能和耐久性试验都在公共道路上进行，各家厂商都选择了包括城市道路和乡村道路的试验路线。选择的原则是使测试车辆可以经受到在实际使用中所碰到的冲击载荷和动态载荷，并且为了缩短试验行驶里程和时间，使单位行驶距离内出现上述载荷的频次比在实际使用中的更高。因此，这些试验也属于加速寿命试验。同时，厂商们也在收集有关产品实际使用的数据并与上述试验数据进行对比分析。积累了一定的经验后，厂商们就可以确信，如果一辆车可以在上述试验路线上行驶一定的里程而不发生失效，那么它在客户手中就可以具有足够的工作寿命。
 

 

但是，公共道路的路况变化比较大，试验条件难以控制，造成试验结果重复性和可比性较差，试验周期比较长。到了20世纪20年代，汽车厂商们已经认识到进行仔细控制的耐久性试验的价值。而这样的试验需要在试验室内的试验设备上进行或者在专门的试验场地上进行。在美国，最早的专用车辆试验场之一是美国陆军的阿伯丁试验场（Aberdeen proving ground)，这个试验场在1920年以前就已经修建好，在第一次世界大战中用于试验大炮。1924年，通用汽车在密歇根州Milford修建了试验场。在这个试验场中包含了各种有代表性的汽车行驶道路，主要用于在标准条件下对批量生产前、后的轿车进行验证试验，也对竞争对手的产品进行综合试验。在国内，主要的试车场有北京通县的交通部试车场、海南琼海的海南汽车试验场、属于军方的定远汽车试验场等，几家大的汽车公司也有自己的试车场，比如湖北襄樊的东风襄樊汽车试验场、上海通用的广德汽车试验场、大众在新疆的汽车试验场等等。

 

在一个典型的汽车耐久试验场中有一系列专门修建的试验道路，例如高速跑道、扭曲路、石块路、卵石路、鱼鳞坑、搓板路、砂石路、乡村土路等，每一种道路都使车辆受到独特的载荷输入。一些路面被设计来再现各种路面不均匀性，例如路面补块、裂缝、冻胀、坑洼、路面下沉、路桥接缝、铁路等等。各家厂商会根据对车辆的定义、目标用户等等定义车辆的载重、试验道路的种类以及通过它们的行驶速度，从而以确定载荷强度和频率考核整车和各个零部件。不同的厂家往往会有不同的试验里程和时间，从几千公里到几万公里，几个星期到几个月不等。

进行试车场的整车耐久试验要耗费大量的人力物力。而且还常常由于驾驶员、环境和试验道路的变化而得到不一致的结果。另外，如果只更改几个零件，也必须用整车去进行试验。此外，为了缩短耐久性试验的时间，试验场上的试验条件变得越来越苛刻。这主要是通过建设更加恶劣的试验道路和加快行驶车速来实现的。但是，到了20世纪50年代，人们开始认识到使耐久性试验场的试验条件过于苛刻并不合理，因为它会引起一些在实际使用中并不会出现的失效模式，从而引起误导。

 

在20世纪60年代出现的两个技术上的重大发展，大大促进了汽车耐久性技术的发展。第一个是把各种损伤累积模型应用在车辆零部件的开发中，进行随机疲劳寿命预计。这把汽车耐久性技术置于一个坚实的理论基础之上。第二个是把伺服液压作动器引入车辆开发试验室。伺服液压作动器的引入使得在试验室中能够比较准确地复现车辆在道路行驶中所受到的载荷，试验的重复性得到了大大改善。现在，所有的整车厂和零部件企业都在应用这一系统进行耐久性开发与验证。

在试验室进行的耐久性试验一般称为道路模拟试验。在道路模拟试验中，一般包括以下步骤：

1. 测量准确的载荷信号，一般是通过6分力轮、应变片、加速度传感器以及位移传感器等设备获取车辆在试车场上的载荷信号
2. 对测量获得的信号进行加速处理在道路模拟试验台架上通过迭代复现目标信号，
3. 形成加载信号
4. 反复施加加载信号进行耐久性试验

 

从上世纪5、60年代起，随着计算机技术和有限元技术的发展，基于有限元分析进行的疲劳耐久仿真分析也逐渐发展起来，经过几十年的发展，汽车行业已经在产品开发的早期阶段广泛应用CAE技术来替代开发试验和验证试验。以寿命为设计目标，调查用户用途及使用环境，在设计阶段采用有限元分析和疲劳理论进行寿命分析并优化设计。试验时只对“好”的设计进行验证试验。用试验关联验证分析结果，用分析指导指导试验，两者相互配合。
 

 

通过这样的方法，产品开发质量高，开发周期短，开发成本低。
 

 

3.2主要子系统和零件的疲劳耐久分析方法

一个典型的疲劳耐久分析，一般包括5个部分：几何模型、材料参数、载荷数据、有限元分析和疲劳耐久寿命分析。

 

基于零件的载荷数据、材料数据和几何模型进行有限元分析，获得应力和应变分析结果，再结合载荷数据和材料的疲劳耐久特性进行疲劳耐久寿命分析。以白车身为例，根据试验场加速道路耐久试验测试取得的路谱，通过多体动力学模型的计算，获得车身硬点上载荷数据的时域信号。同时，根据有限元建模规范，建立起白车身的有限元模型并赋予材料参数。

 

之后采用Nastran或Optistrut等软件进行线性计算，获得应力、应变的结果，再使用nCode或者MSC.Fatigue等软件结合载荷与材料疲劳耐久特性，对应力、应变结果进行雨流计数和损伤计算，从而完成寿命分析，预测潜在的失效位置。
 

 

这样一个分析看起来并不复杂，不过其中还有有些值得深究的细节。

首先是计算时域下的应力幅数据的方法。通过多体动力学模型计算得到的硬点载荷是一段力-时间的时域数据，使用有限元方法系统对这段时域数据的响应最直接的方法就是瞬态直接法，不过这种方法会需要大量的计算资源，即使是在现在这样一个CPU卖白菜价的年代也是要花费大量计算时间的分析工作。

 

为了简化这个过程，工程师想出了各种办法。一种是模态叠加法，基于模态的正交性和展开定理对动力学响应进行近似求解。对于线性系统，这是一种高效率高精度的计算方法， 可以考虑结构共振效果，且不用存整个结构的所有时间历程。但是是概念上比较复杂，建模也要相对复杂，需要建立起较为准确的整车Trim Body模型并计算模态参与因子文件。
 

 

另一种方法就是线性叠加法，这种方法有一个假设，即结构行为是静态的，当载荷频率远小于结构第一阶模态频率时，通常认为是有效的。用这种方法，每个连接点的载荷时间历程(包括加速度载荷时间历程)都可以输出。对应于每个连接点， 在有限元模型中施加“单位”载荷工况进行分析。疲劳分析用载荷连接点的时间历程数据来按比例放大每个单位载荷。对于每一个分析时间步，将所有放大后的单位载荷对应的应力叠加加起来就得到该时刻的真实的应力状态。一旦每个单元在任意时刻的真实应力计算得到之后，疲劳分析软件就可以用这些应力分析整个载荷周期的疲劳寿命。这种方法的优点是计算方便，文件小，概念上也易于理解。缺点是当结构自然频率和载荷所包含的频率接近时，精度可能不够。
 

 

各种应力分析方法都有自己的优缺点，在分析时应根据实际情况选择合适的方法并谨慎的进行验证。

其次是对于汽车上的结构件，常常会在连接的位置，比如焊点、焊缝、螺栓等位置出现失效。在这些地方，由于局部应力集中、材料在焊接过程中受热影响等发生了材料性质的变化、制造误差等等原因，无法使用金属材料的E-N曲线或者S-N曲线来进行疲劳寿命的预测。并且，对于汽车结构件这种大型零部件，对每个焊点、焊缝、螺栓等结构件都进行非常详细的应力分析是不现实的，而且过分精细的分析会带来的高昂费用并缺乏广泛的适用性。在工程上，现在采用较多的方法是结构应力法，即根据有限元软件计算出的连接结构所承受的力和力矩以及连接结构的几何特征来计算连接结构的应力状态，这实际上是一种名义应力。再通过一系列试验来获得结构应力与焊点寿命之间的S-N曲线。

 

应用这种方法最大的难点就在于获得真实可靠结构应力参数和对应的S-N曲线，以焊点为例，同样的载荷下，受剪切和受拉伸时的疲劳耐久寿命相差甚远而在实际的道路上，结构中的焊点受到的往往是复合载荷；不同厚度的材料焊接在一起也会有不同的疲劳耐久寿命。这些就给结构应力的计算提出了很大的挑战，需要通过大量的试验结合工程实际来摸索出一套结构应力参数来模拟不同厚度的材料焊接在一起时的结构应力以及相对应的S-N曲线。
 

 

最后是对疲劳耐久分析结果的解读。对于计算获得的结果，需要小心谨慎的进行对待和解读，需要根据疲劳耐久的分析假设、工程实际来对结果进行判断。

在实际的工程开发中，出于效率和成本的考虑，往往会采用恒幅载荷来近似替代前面这种通过RLDA获得的道路随机变幅载荷。这种替代是基于Miner准则，对随机变幅信号进行损伤累积后，根据损伤等效原则将其简化成恒幅信号来进行的。这种方法假设系统是线性的，损伤也是可以线性累积的。通过这种方法，各大公司都形成了自己进行疲劳耐久分析的所谓标准工况，在设计的早期提高疲劳耐久分析的效率，跟试验室进行加速试验是一个原理。

 

比如对于白车身，就可以通过这种方法将路面载荷分解成扭转、转向、加速制动等工况来进行疲劳耐久分析，对于副车架、后桥、控制臂等底盘零件也有类似的分析方法。

现在的疲劳耐久分析已经流程化体系化，这往往会导致工程师的一种错觉，就是只要根据流程，画好网格，赋好材料，把边界条件输入电脑，电脑就会给出一个寿命结果啦，做的好的公司还有一系列自动化流程工具来加速这个过程。

 

已使用 Microsoft OneNote 2016 创建。