汽車排氣系統在道路行駛過程中的疲勞壽命分析

郭學靜

摘要： 本文研究了汽車排氣系統在汽車道路行駛過程中的疲勞壽命情況。通過試驗場或者用戶使用條件下的RLDA數據采集，對得到的數據進行雨流計數疲勞壽命估算，得到載荷譜。然后進行構件的疲勞壽命試驗，做出P-S-N曲線。應用 Miner理論，可得到構件的損傷度。從而可以分析排氣系統不同部位在給定的路面激勵下的損傷，評估排氣系統的耐久風險。

關鍵詞：疲勞壽命;RLDA;雨流計數;載荷譜;P-S-N曲線;Miner 理論

引言

近年來，人們在選擇汽車駕駛時，除了舒適感和可操作性能，零部件的使用壽命及安全性越來越受到關注。以往對于汽車的降噪、尾氣凈化和壓力損失等問題已受廣泛的關注，但其結構強度和焊接疲勞耐久性卻沒有引起足夠的重視，目前逐漸成為人們關注的重點。鑒于國內排氣系統在這方面研究較少，與國外同期研究水平差距極大，所以，有必要加強該領域的研究，以盡快彌補我國在這方面的不足，所得到的研究成果將對該領域有一定程度的補充，可作為排氣系統早期研發設計的重要參考。本文主要研究從測試到的疲勞載荷譜，確定材料疲勞損傷的程度，計算疲勞壽命。進行疲勞設計、安全評價等運用這種測試方法，可立即得到測試結果，這將減輕測試人員的勞動強度，縮短測試周期，降低測試費用，解決了復雜構件的試驗問題，為汽車排氣系統的安全性設計提供了依據。

1.RLDA數據采集

在零部件關鍵位置安裝傳感器，關鍵位置可以根據有限元分析結果選取。數據采集一般采用應變片，方法為半橋或全橋貼法，采樣頻率為2048Hz。測試的方法根據國家標準或者主機廠提供商的整車工裝樣車道路試驗技術規范執行。車輛狀態一般為空載，半載，滿載，具體配重見標準規定。試驗路面分為組合壞路和高速環路等。

2.構件的疲勞試驗

構件的疲勞試驗是分析構件承載能力的試驗，目的是要得到構件的P-S-N疲勞壽命曲線。

試驗載荷分為低載荷和高載荷，通常要各做5件。試驗前首先要確定載荷的大小，載荷獲得的基本原則一般為低載荷要求構件在50萬次左右失效，高載荷在5萬次左右失效。

3.Miner 理論

Miner將Palmgren提出的疲勞損傷與應力循環次數成線性比這一假設公式化， 建立了著名的Miner準則

其中， 每一級變幅循環應力為Si， i=1， 2，， n，ni 為Si 的循環次數，Nci 為與Si 相對應的疲勞壽命，即圖1 P-S-N曲線中對應的循環次數。

基于Miner準則，可以將圖5中應力Si對應的ni與圖8種Si對應的Ni進行對比，求和即可得到損傷，

該部位的壽命為

一般認為壽命在100以上為低風險。

4.結論

汽車排氣系統設計過程中，根據前期的CAE分析得到系統的高風險部位，進行實際的數據道路采集得到各個部位的載荷譜，通過構件的疲勞壽命試驗得到構件P-S-N曲線，應用Miner準則計算各位置的損傷。可以大幅度降低整車試驗時的失效概率，從而節省金錢和時間成本。本文介紹的試驗方法已應用到眾多汽車的排氣系統開發，成為目前排氣系統在道路耐久性開發的有效試驗方法。

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