基于道路載荷的汽車結(jié)構(gòu)件可靠性試驗(yàn)方法研究

王　鐵　武文超　王海沛　吳　偉

泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海，201201

基于道路載荷的汽車結(jié)構(gòu)件可靠性試驗(yàn)方法研究

王鐵武文超王海沛吳偉

泛亞汽車技術(shù)中心有限公司，上海，201201

摘要：基于疲勞偽損傷相關(guān)性分析，建立了與道路載荷等效的程序載荷譜；對(duì)構(gòu)件疲勞壽命進(jìn)行了威布爾分析，建立了在一定置信度、可靠度條件下最少樣件的可靠性試驗(yàn)方案。通過(guò)變速箱支架臺(tái)架可靠性試驗(yàn)，復(fù)現(xiàn)了與道路試驗(yàn)相同的失效模式、疲勞失效壽命，分析了影響變速箱支架疲勞壽命的因素，并驗(yàn)證了試驗(yàn)方法的有效性。

關(guān)鍵詞：疲勞壽命；程序載荷；道路載荷；威布爾分析

0引言

汽車的底盤(pán)系統(tǒng)主要由結(jié)構(gòu)件、彈性件、阻尼件等構(gòu)成。汽車在道路上行駛時(shí)，結(jié)構(gòu)件將路面特征激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)和載荷傳導(dǎo)至車身，實(shí)現(xiàn)其承載功能。公共路面特征是隨機(jī)的，因而構(gòu)件經(jīng)受的載荷與時(shí)間具有非周期性、函數(shù)關(guān)系不確定等特點(diǎn)，稱之為隨機(jī)載荷。對(duì)汽車底盤(pán)結(jié)構(gòu)件而言，絕大多數(shù)疲勞失效發(fā)生在隨機(jī)載荷下，此種現(xiàn)象稱之為結(jié)構(gòu)件隨機(jī)疲勞[1]。研究基于隨機(jī)載荷的汽車結(jié)構(gòu)件可靠性試驗(yàn)方法，對(duì)驗(yàn)證構(gòu)件疲勞壽命具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)隨機(jī)載荷下的汽車可靠性作了大量研究。叢楠等[2]提出了一種基于對(duì)稱α穩(wěn)定分布的可靠性試驗(yàn)場(chǎng)道路時(shí)域激勵(lì)建模方法，即針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)載荷幅值的非高斯特性，利用對(duì)稱穩(wěn)定分布的負(fù)階矩參數(shù)估計(jì)理論，提出了適用于試驗(yàn)場(chǎng)道路的非高斯幅值分布特征參數(shù)的估計(jì)方法，生成了更接近真實(shí)載荷歷程的道路載荷譜。

Halfpenny等[3]將一定質(zhì)量目標(biāo)下的用戶車輛所經(jīng)歷的公共道路載荷與試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷進(jìn)行了相關(guān)性分析，基于試驗(yàn)場(chǎng)道路特征即可復(fù)現(xiàn)公共道路的載荷歷程并壓縮了試驗(yàn)時(shí)間。李晨陽(yáng)[4]提出了一種以結(jié)構(gòu)疲勞載荷和疲勞損傷為目標(biāo)的分析技術(shù)，將較長(zhǎng)試驗(yàn)里程(周期)的試驗(yàn)場(chǎng)道路耐久試驗(yàn)等效為較小目標(biāo)里程(周期)下的道路耐久試驗(yàn)，達(dá)到了不同試驗(yàn)規(guī)范間的轉(zhuǎn)換加速試驗(yàn)的目的。對(duì)于新車型架構(gòu)的認(rèn)證試驗(yàn)而言，以上方法仍存在樣本數(shù)少(1～2輛試驗(yàn)車)、試驗(yàn)周期長(zhǎng)(1～3個(gè)月)、失效暴露一致性較差等不足。

本文以確定的試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)載荷(損傷)為目標(biāo)，基于疲勞線性累積損傷理論，通過(guò)偽損傷相關(guān)性分析將道路載荷等效到程序載荷；基于結(jié)構(gòu)件隨機(jī)疲勞壽命威布爾分布，設(shè)計(jì)出小樣本條件下的可靠性試驗(yàn)方案；通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得到了樣件的疲勞壽命，并通過(guò)威布爾分析估算了結(jié)構(gòu)件在一定可靠度要求下的疲勞壽命。

1疲勞壽命與道路載荷譜的相關(guān)性分析

1.1條件簡(jiǎn)化與假設(shè)

疲勞斷裂是汽車結(jié)構(gòu)件在隨機(jī)載荷作用下的主要失效模式。由疲勞強(qiáng)度理論可知，疲勞斷裂破壞是循環(huán)應(yīng)力作用的結(jié)果。構(gòu)件在循環(huán)載荷作用下，最大應(yīng)力區(qū)域的最薄弱晶粒上會(huì)產(chǎn)生微裂紋。隨著載荷的迭加，微裂紋最終發(fā)展成宏觀裂紋并導(dǎo)致斷裂。不同應(yīng)力級(jí)別的循環(huán)應(yīng)力加載次序與裂紋的發(fā)生、發(fā)展、斷裂有緊密聯(lián)系。由金屬疲勞理論可知，較大應(yīng)力幅循環(huán)載荷的作用會(huì)產(chǎn)生微裂紋，在中小應(yīng)力幅作用下，微裂紋會(huì)快速擴(kuò)展[1]。對(duì)于隨機(jī)載荷而言，判斷載荷的加載順序比較困難。實(shí)際工程問(wèn)題中，通常將試驗(yàn)場(chǎng)道路載荷譜看作是穩(wěn)定的隨機(jī)過(guò)程，可假設(shè)汽車結(jié)構(gòu)件對(duì)載荷的疲勞累積響應(yīng)是線性的。本文主要討論隨機(jī)載荷譜向程序載荷譜轉(zhuǎn)化的方法，因此暫不考慮隨機(jī)載荷譜的載荷歷程。同時(shí)，為了盡早暴露失效模式，認(rèn)為程序載荷譜塊的加載順序?yàn)椋捍筝d荷-中等載荷-小載荷。

考慮汽車是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，承載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件在路面的激勵(lì)下將產(chǎn)生隨機(jī)振動(dòng)。一般而言，汽車在常規(guī)路面穩(wěn)態(tài)行駛的共振頻率范圍為1～200Hz[5]。載荷頻率與疲勞極限的關(guān)系表明，常規(guī)環(huán)境下多數(shù)材料的疲勞壽命與加載頻率不相關(guān)[1]。因此本文不考慮振動(dòng)頻率對(duì)汽車結(jié)構(gòu)件疲勞壽命的影響。

1.2隨機(jī)載荷轉(zhuǎn)化為程序載荷

1.2.1隨機(jī)載荷的統(tǒng)計(jì)處理

實(shí)測(cè)的載荷譜雖然可以看作是平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，但其載荷-時(shí)間歷程不確定等特點(diǎn)很難直接用于疲勞壽命估算，因此工程上一般采用雨流計(jì)數(shù)法[6]對(duì)隨機(jī)載荷歷程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到指定載荷級(jí)數(shù)下的幅值、均值、頻次等信息。某路況隨機(jī)載荷劃分成64級(jí)雨流矩陣，如圖1所示。

圖1　道路載荷雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2.2隨機(jī)載荷的疲勞壽命估算

疲勞破壞過(guò)程是材料在循環(huán)載荷作用下?lián)p傷逐漸累積和壽命逐漸消耗的過(guò)程，當(dāng)損傷累積趨于材料固有壽命時(shí)，構(gòu)件將發(fā)生疲勞破壞。基于1.1節(jié)的分析和條件簡(jiǎn)化，汽車結(jié)構(gòu)件對(duì)載荷的響應(yīng)是線性的。根據(jù)線性疲勞累積損傷理論[7-8]，當(dāng)疲勞破壞發(fā)生時(shí)有

(1)

式中，Di為第i級(jí)應(yīng)力下的疲勞損傷；ni為第i級(jí)應(yīng)力下的雨流計(jì)數(shù)；Ni為零件在第i級(jí)應(yīng)力下的壽命。

工程上由于零件實(shí)際的S-N曲線不僅與材料有關(guān)，還與制造工藝、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)，因此通常使用疲勞偽損傷來(lái)評(píng)價(jià)零件經(jīng)歷的循環(huán)載荷累積情況。通常的疲勞偽損傷方法下，當(dāng)不確定材料真實(shí)的S-N曲線時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選用與零件材料相近的某種材料的S-N曲線，其目的是盡可能地保留全部循環(huán)載荷產(chǎn)生的損傷。

根據(jù)疲勞線性累積損傷理論可得疲勞偽損傷計(jì)算公式：

SmN=c

式中，m為根據(jù)應(yīng)力性質(zhì)和材料確定的常數(shù)；c為由已知條件確定的常數(shù)。

將實(shí)際載荷應(yīng)力水平分l級(jí)，則其某一測(cè)量通道的廣義應(yīng)力循環(huán)數(shù)雨流矩陣為

N=[N1N2…Nl]T

其對(duì)應(yīng)的疲勞損傷矩陣為

疲勞載荷作用下的總體疲勞偽損傷為

同時(shí)，根據(jù)剩余強(qiáng)度模型可知，材料疲勞過(guò)程中，當(dāng)極限強(qiáng)度與循環(huán)載荷的最大應(yīng)力相等時(shí)，將發(fā)生完成斷裂。疲勞破壞發(fā)生時(shí)有σmax≤σa+σm。其中，σa為載荷應(yīng)力幅值，σm為載荷應(yīng)力均值，σmax為極限載荷應(yīng)力，由此可見(jiàn)，除載荷幅值外，載荷均值對(duì)疲勞壽命有一定貢獻(xiàn)，載荷均值σm對(duì)疲勞壽命的影響如圖2所示。

有關(guān)載荷均值對(duì)疲勞壽命的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已作了大量相關(guān)研究，基于局部應(yīng)變法的Morrow廣義平均應(yīng)力修正模型為

(2)

實(shí)際工程應(yīng)用中，構(gòu)件在隨機(jī)載荷作用下的應(yīng)力或應(yīng)變往往不能直接獲取，一般將測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)化為力、扭矩、加速度等信號(hào)描述載荷(廣義載荷)。本文基于軟件Ncode，采用應(yīng)變-壽命分析法，結(jié)合疲勞損傷累積模型(式(1))及平均應(yīng)力修正模型(式(2))對(duì)構(gòu)件的疲勞偽損傷進(jìn)行估算，即將上述廣義載荷經(jīng)一定比例系數(shù)放大后，結(jié)合構(gòu)件材料E-N曲線計(jì)算偽損傷，以判斷循環(huán)載荷對(duì)構(gòu)件疲勞壽命的影響，為后續(xù)程序載荷的轉(zhuǎn)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。基于DR道路試驗(yàn)規(guī)范的隨機(jī)載荷雨流矩陣計(jì)算得到的偽損傷與幅值-均值的關(guān)系如圖3所示。

圖3　隨機(jī)載荷下的疲勞偽損傷

為了更清楚了解偽損傷在各級(jí)應(yīng)力幅值下分布情況，一般通過(guò)疲勞損傷矩陣形式來(lái)表達(dá)，如圖4所示。

圖4　疲勞偽損傷矩陣

1.3程序載荷譜的建立

基于以上討論，通過(guò)疲勞偽損傷計(jì)算可以將隨機(jī)載荷產(chǎn)生的隨機(jī)疲勞在不同的應(yīng)力級(jí)別下進(jìn)行量化表達(dá)。基于疲勞損傷等效原理可得，隨機(jī)疲勞矩陣與程序載荷損傷矩陣的等效關(guān)系：

式中，Dt為隨機(jī)載荷總體疲勞損傷；DL,j為第j級(jí)程序載荷的疲勞損傷，j=1，2，…，M。

根據(jù)疲勞損傷等效原則可得程序載荷計(jì)算流程，如圖5所示。由圖5所示流程可知，編制程序載荷的關(guān)鍵是如何確定保留載荷的幅值-均值(通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到的Range-Mean數(shù)據(jù))。實(shí)際工程中，應(yīng)力載荷的幅值-均值一般依據(jù)載荷特點(diǎn)、材料以及失效模式來(lái)判斷。由經(jīng)驗(yàn)得知：當(dāng)損傷矩陣分布較均勻時(shí)，金屬構(gòu)件將在中、小循環(huán)載荷作用下發(fā)生疲勞破壞，程序載荷一般選取7、8級(jí)中等載荷，載荷循環(huán)次數(shù)在數(shù)十萬(wàn)次；當(dāng)損傷在大載荷下累積比例較高時(shí)，金屬構(gòu)件將在大載荷下發(fā)生強(qiáng)度破壞，程序載荷一般選取1、2級(jí)載荷，載荷循環(huán)次數(shù)將相對(duì)較低，約1萬(wàn)～2萬(wàn)次；當(dāng)非金屬構(gòu)件(如尼龍材料的穩(wěn)定桿連桿)失效時(shí)，考慮材料彈性特性對(duì)失效的影響，需要盡可能地保留小載荷。

圖5　程序載荷譜計(jì)算流程

某道路載荷的總體疲勞偽損傷矩陣如圖6所示，考慮損傷累積在各幅值-均值下的分布，將程序載荷分為6級(jí)，這樣既兼顧了中小載荷又保留了極限載荷。

圖6　總體疲勞偽損傷矩陣

結(jié)合隨機(jī)載荷的雨流矩陣，程序載荷下的各級(jí)幅值-均值加載的循環(huán)次數(shù)表達(dá)式為

(3)

2基于威布爾分析的可靠性試驗(yàn)方案

基于道路載荷的程序載荷譜臺(tái)架試驗(yàn)可以極大節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間，幫助我們盡可能在零件開(kāi)發(fā)早期階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。同時(shí)，為了充分暴露失效模式，常規(guī)方法是采取多樣本進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于一定可靠度R和置信度C要求下的構(gòu)件疲勞壽命試驗(yàn)，選取N個(gè)樣本進(jìn)行試驗(yàn)，由于各樣本間的試驗(yàn)是相互獨(dú)立的，因此當(dāng)N個(gè)樣本經(jīng)歷一定壽命(載荷循環(huán))發(fā)生失效的概率為[9]

置信度C與可靠度R、樣本數(shù)N的關(guān)系為

C=1-RN

由上式可知，在一定可靠度和置信度下，滿足t壽命(載荷循環(huán))的最小樣本數(shù)可由表達(dá)式N=ln(1-R)/lnR求解。C、R、N間的關(guān)系如圖7所示。

圖7　最少樣本數(shù)與可靠度、置信度的關(guān)系

由圖7可知，在一定置信度下，當(dāng)可靠性要求提高時(shí)，樣本會(huì)大量增加。如果適當(dāng)提高置信度，則需要更多的樣本。汽車結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)驗(yàn)證需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，毫無(wú)疑問(wèn)這將增加試驗(yàn)時(shí)間和試驗(yàn)成本。基于加速試驗(yàn)的疲勞壽命的威布爾分析，可以得到試驗(yàn)時(shí)間與樣本數(shù)的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)出符合可靠度、置信度要求的試驗(yàn)方案。

汽車結(jié)構(gòu)件疲勞壽命一般符合雙參數(shù)威布爾分布[10]，其疲勞壽命概率分布函數(shù)表達(dá)式為

F(t)=1-exp(-(t/T)β)

(4)

則可靠度函數(shù)表達(dá)式為

R(t)=1- F(t)=exp(-(t/T)β)

(5)

對(duì)式(5)取雙對(duì)數(shù)，則有

ln(ln(1-F(t)))=-βln(t/T)

(6)

由于威布爾概率分布在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下可以用線性方程表達(dá)，即

進(jìn)而有

(8)

(9)

即

將C=1-RN代入上式可得

(10)

由式(10)可知，在一定置信度、可靠度要求下，可以通過(guò)增加試驗(yàn)時(shí)間/循環(huán)載荷次數(shù)的方法減少樣本，實(shí)現(xiàn)加速試驗(yàn)的目的。

由實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)可知，汽車結(jié)構(gòu)件的β值介于2、3之間。當(dāng)t0為1倍壽命時(shí)，若要證明可靠度要求滿足R99C50，需要6個(gè)樣本進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，且至少需要滿足3.4倍壽命。

3實(shí)例與結(jié)果分析

基于以上討論，建立了基于道路載荷的程序載荷譜轉(zhuǎn)化方法并設(shè)計(jì)了最少樣件的臺(tái)架可靠性試驗(yàn)方案。本節(jié)將討論該方法的應(yīng)用并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1問(wèn)題背景

某車型樣車在道路試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生變速箱殼體支架與后懸置聯(lián)接處斷裂問(wèn)題，如圖8所示。失效發(fā)生時(shí)，零件試驗(yàn)里程百分比(零件失效時(shí)試驗(yàn)里程與試驗(yàn)總里程的比值)約58%。

圖8　變速箱殼體道路試驗(yàn)失效模式

對(duì)裂紋的宏觀分析發(fā)現(xiàn)，主斷口發(fā)生在變速箱殼體加強(qiáng)筋處。裂紋的斷口分析顯示，失效模式是一種快速的疲勞破壞。由于零件處于開(kāi)發(fā)階段，因而尚未明確是設(shè)計(jì)不穩(wěn)健或生產(chǎn)工藝等原因?qū)е碌氖А榱朔治鍪Ц驹颍枰獙?duì)樣件進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，評(píng)估變速箱殼體的疲勞壽命，為后續(xù)改進(jìn)方案提供依據(jù)。

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，2007～2014年天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全均處于“安全”狀態(tài)，但是各年份的綜合關(guān)聯(lián)度均介于(-1,0)，說(shuō)明2007～2014年天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全水平不符合評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)要求，但存在向標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)典域和目標(biāo)轉(zhuǎn)化的條件(表3)。從2007～2014年草原生態(tài)安全級(jí)別的數(shù)值可以看出，K1N2012 >K1N2011 >K1N2014 >K1N2013 >K1N2010 >K1N2009 >K1N2007，說(shuō)明2011年和2012年的天祝牧區(qū)高寒草原生態(tài)安全更接近標(biāo)準(zhǔn)上限，其草原生態(tài)安全程度較其他年份高，更具備向標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)范圍轉(zhuǎn)化的潛力。

3.2載荷分析

此車型的動(dòng)力總成系統(tǒng)采用三點(diǎn)懸置支持方式，變速箱殼體支架與后懸置采用螺栓連接，動(dòng)力總成系統(tǒng)產(chǎn)生的縱向力將通過(guò)“支架-螺栓-懸置支架”路徑傳遞給副車架。疲勞裂紋起點(diǎn)發(fā)生在與安裝螺栓凸臺(tái)的加強(qiáng)筋表面，因此獲取安裝點(diǎn)載荷狀況即可了解加強(qiáng)筋的載荷歷程。

為了獲取真實(shí)的載荷信息，將應(yīng)變片布置在特制工裝上代替懸置支架。采用特制工裝有如下原因：①考慮應(yīng)變片的安裝。原懸置支架采用金屬板沖壓焊接工藝制造，支架經(jīng)過(guò)CAE優(yōu)化設(shè)計(jì)而幾何形狀不規(guī)則，且支架中間結(jié)構(gòu)向上拱起，不適合布置應(yīng)變片。②考慮測(cè)點(diǎn)的實(shí)際受力情況。失效結(jié)構(gòu)發(fā)生在與支架相連接的變速箱殼體上，F(xiàn)x是導(dǎo)致失效直接原因。新設(shè)計(jì)的工裝支架可以在Fx方向布置應(yīng)變片，直接得到測(cè)點(diǎn)受力。

圖9　變速箱殼體后支架采樣工裝

采樣工裝如圖9所示。變速箱殼體支架載荷使用Somat eDAQ數(shù)據(jù)采集儀獲得。

道路試驗(yàn)由20多種不同的試驗(yàn)子規(guī)范按照一定的循環(huán)數(shù)構(gòu)成，如表1所示，并按照平均、隨機(jī)法則分配成5個(gè)階段。

表1　道路試驗(yàn)子規(guī)范及其對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)

載荷分析需要特別關(guān)注載荷極值發(fā)生的情況，這有助于分析支架是否發(fā)生了過(guò)載。對(duì)上述試驗(yàn)子規(guī)范進(jìn)行道路載荷測(cè)量和分析，數(shù)據(jù)顯示，某試驗(yàn)工況下的支架縱向力達(dá)到了載荷峰值，如圖10所示。上述工況下的循環(huán)載荷雨流矩陣如圖11所示。

圖10　極限載荷時(shí)域信號(hào)

圖11　極限載荷雨流計(jì)數(shù)

3.3程序載荷譜臺(tái)架試驗(yàn)

按照1節(jié)中討論的方法，將試驗(yàn)子規(guī)范的載荷雨流矩陣按照表1中的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行疊加，得到DR道路試驗(yàn)規(guī)范隨機(jī)載荷的雨流矩陣。按照1.2節(jié)、1.3節(jié)中討論的方法，利用Ncode軟件計(jì)算得到了道路載荷疲勞偽損傷矩陣，如圖3、圖4所示。計(jì)算得到的各試驗(yàn)子規(guī)范對(duì)整體損傷的貢獻(xiàn)，如表2所示。

表2　各道路子規(guī)范疲勞偽損傷

由圖3、圖4所示的疲勞偽損傷矩陣可知，中、大載荷下的損傷累積占據(jù)了較大比例，為更真實(shí)地復(fù)現(xiàn)載荷，程序載荷譜需要保留這些大載荷。同時(shí)，由表2可知，變速箱支架的疲勞累積損傷在各道路試驗(yàn)工況下的響應(yīng)是不同的，TM-1、TM-7和TM-16子規(guī)范的循環(huán)數(shù)雖少，卻累積了大部分疲勞損傷，進(jìn)一步驗(yàn)證了支架的疲勞損傷相對(duì)較集中于中、大載荷工況。

由疲勞為損傷矩陣(圖3、圖4)分布規(guī)律可知，疲勞偽損傷可以通過(guò)3個(gè)載荷幅值區(qū)間進(jìn)行劃分。在這3個(gè)區(qū)間內(nèi)，疲勞偽損傷累積較高的載荷幅值分別為載荷1(16.24 kN)、載荷2(28.84 kN)和載荷3(31.49 kN)。根據(jù)程序載荷轉(zhuǎn)化方法，由式(3)將各區(qū)間內(nèi)的疲勞偽損傷轉(zhuǎn)化到所選擇的幅值-均值載荷上，即完成了從隨機(jī)載荷到程序載荷的轉(zhuǎn)化。

基于上述計(jì)算和分析得到變速箱殼體的程序載荷，如表3所示。

表3　程序載荷譜

試驗(yàn)臺(tái)架在單軸試驗(yàn)機(jī)上搭建，如圖12所示，其中，變速箱的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配面與試驗(yàn)臺(tái)剛性聯(lián)結(jié)，變速箱另一側(cè)采用原車的支撐緊固。變速箱的懸置支架有橡膠襯套結(jié)構(gòu)，考慮加載頻率過(guò)高將造成橡膠襯套發(fā)熱損壞影響試驗(yàn)載荷傳遞，因而設(shè)定加載頻率為0.5 Hz。

圖12　程序載荷試驗(yàn)臺(tái)架

由上述分析和計(jì)算獲得了與道路載荷等效的程序載荷譜，這就意味著道路載荷在試驗(yàn)室條件下得以再現(xiàn)。如將道路試驗(yàn)轉(zhuǎn)化的程序載荷譜定義為1倍壽命，則在此條件下循環(huán)加載直至零件發(fā)生失效，當(dāng)失效發(fā)生時(shí)，零件經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù)與1倍壽命載荷加載次數(shù)相比即為零件的疲勞壽命。

3.4試驗(yàn)結(jié)果分析

基于2.1節(jié)的分析，選擇了8個(gè)樣本進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)，樣本狀態(tài)分布于不同工藝階段。試驗(yàn)1倍壽命按照表3所示程序載荷加載。試驗(yàn)結(jié)果顯示，各樣本均復(fù)現(xiàn)了與道路試驗(yàn)相同的失效模式，如圖13所示，裂紋發(fā)生時(shí)的疲勞壽命如表4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，冷模狀態(tài)零件的疲勞壽命只有57%，與道路試驗(yàn)失效百分比非常接近。

為了進(jìn)一步了解支架疲勞可靠性，對(duì)1～7號(hào)樣本試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了疲勞壽命威布爾分析。8號(hào)樣本由于采用冷模工藝，不能與前者看作同批次零件。失效概率與疲勞壽命的關(guān)系如圖14所示。

圖13　程序載荷試驗(yàn)失效模式

樣本編號(hào)1234樣本狀態(tài)熱模熱模熱模熱模相對(duì)疲勞壽命(%)1159699220樣本編號(hào)5678樣本狀態(tài)熱模熱模熱模冷模相對(duì)疲勞壽命(%)15032011657

圖14　疲勞壽命威布爾分布

由圖14得到不同可靠度要求與最低失效疲勞壽命的關(guān)系。由表5可見(jiàn)，本批次零件滿足1倍壽命的可靠度只有76%，明顯低于零件的設(shè)計(jì)要求R95C50，表明高應(yīng)力區(qū)的設(shè)計(jì)安全系數(shù)較低是造成疲勞壽命較低的重要原因。

表5　可靠度下的樣本相對(duì)疲勞壽命

4結(jié)論

(1)本文通過(guò)對(duì)疲勞偽損傷進(jìn)行相關(guān)性分析，建立了與道路載荷等效的程序載荷譜的方法；對(duì)構(gòu)件疲勞壽命進(jìn)行了威布爾分析，建立了一定置信度、可靠度條件下最少樣件的可靠性試驗(yàn)方案。

(2)通過(guò)變速箱支架試驗(yàn)驗(yàn)證了程序載荷譜方法的有效性，復(fù)現(xiàn)了失效模式，分析了同一批次零件的疲勞壽命。零件可靠性的分析表明，可靠性指標(biāo)低于零件設(shè)計(jì)要求，存在潛在的質(zhì)量溢出風(fēng)險(xiǎn)，需要通過(guò)改進(jìn)制造工藝或改進(jìn)高應(yīng)力區(qū)域結(jié)構(gòu)來(lái)提高疲勞壽命。

(3)本方法可以普遍應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命可靠性評(píng)估試驗(yàn)。

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(編輯張洋)

第八屆材料及熱加工物理模擬與數(shù)值模擬國(guó)際會(huì)議(ICPNS’2016)將于2016年10月14～17日在美國(guó)西雅圖市舉行。 此次會(huì)議由材料加工物理模擬與數(shù)值模擬國(guó)際聯(lián)合會(huì)主辦，美國(guó)普渡大學(xué)承辦，美國(guó)、澳大利亞、奧地利、比利時(shí)、巴西、加拿大、法國(guó)、德國(guó)、印度、日本、韓國(guó)、巴基斯坦、俄羅斯、瑞典、英國(guó)以及中國(guó)香港和中國(guó)臺(tái)灣等20多個(gè)專業(yè)學(xué)會(huì)和大學(xué)協(xié)辦，材料加工物理模擬與數(shù)值模擬國(guó)際聯(lián)合會(huì)主席、俄羅斯自然科學(xué)院院士、哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授牛濟(jì)泰先生擔(dān)任大會(huì)主席。

本次會(huì)議將邀請(qǐng)2011年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，以色列理工學(xué)院的丹尼爾教授作大會(huì)特邀報(bào)告，還將邀請(qǐng)?jiān)诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬、材料設(shè)計(jì)、冶金和加工領(lǐng)域知名的學(xué)者作特邀報(bào)告。會(huì)議內(nèi)容涵蓋材料加工中的物理模擬與數(shù)值模擬，征文主題具體如下：

1.材料加工中物理模擬與數(shù)值模型的理論、發(fā)展及展望；

2.焊接、粘接、熱處理、化學(xué)處理、鑄造、鍛造、塑性成形、粉末冶金、高能束加工以及其他先進(jìn)的工業(yè)化加工方式；

3.粉末冶金的模型與仿真；

4.與材料處理、計(jì)算及設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件工程與軟件發(fā)展；

5.鋼鐵、有色金屬合金、陶瓷、聚合物、復(fù)合材料；

6.高溫合金、航空材料及航天材料；

7.超細(xì)晶材料、非晶材料、金屬玻璃、高熵合金；

8.納米材料和納米技術(shù)、材料的微觀力學(xué)特性；

9.能源材料、電子封裝材料、生物材料、形狀記憶合金、智能材料、光電材料及其他功能材料；

10.結(jié)構(gòu)薄膜、功能薄膜、表面工程及涂料；

11.增材制造和3D打印的工藝與材料；

12.相變及微觀結(jié)構(gòu)演化；

13.材料設(shè)計(jì)的方法與經(jīng)驗(yàn)、計(jì)算材料學(xué)、分子動(dòng)力學(xué)仿真、用于材料加工的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)；

14.納米尺度和極端條件下的材料性能表征；

15.材料的非破壞性試驗(yàn)；

16.材料結(jié)構(gòu)與性能的預(yù)測(cè)及評(píng)估；

17.材料疲勞的基本特性、多尺度建模及預(yù)防；

更多的信息，請(qǐng)關(guān)注會(huì)議網(wǎng)站：www.conf.purdue.edu/icpns16。

(工作總部)

ResearchonReliabilityTestforVehicleStructureComponentsBasedonRoadLoad

WangTieWuWenchaoWangHaipeiWuWei

PanAsiaTechnicalAutomotiveCenterCo.,Ltd.，Shanghai，201201

Abstract：A method of programed load spectrum bench test for vehicle structure component was presented, which was based on the theory of equivalent pseudo-fatigue damage between road load and programed load. By Weibull analysis method, the test strategy was developed which reflected the relations among the confidence level, reliability requirements and sample size. For the research of programed bench test for transmission brackets, the failure mode was duplicated, which had the same root cause and fatigue life compared to the failure on road test. By analysing the data of fatigue life of test samples on bench test, the main reasons for impacting the reliability and durability of bracket were discussed. From the results of bench test, it can be proved that the method of programed load spectrum bench test is valid and more efficient.

Key words:fatigue life; programed load; road load; Weibull analysis

收稿日期：2014-12-17

中圖分類號(hào)：U463.324

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.01.022

作者簡(jiǎn)介：王鐵，男，1980年生。泛亞汽車技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部工程師。主要研究方向?yàn)槟途眯浴⒖煽啃栽囼?yàn)。武文超，男，1979年生。泛亞汽車技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部高級(jí)經(jīng)理。王海沛，男，1986年生。泛亞汽車技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部底盤(pán)系統(tǒng)認(rèn)證工程師。吳偉，男，1980年生。泛亞汽車技術(shù)中心有限公司試驗(yàn)認(rèn)證部結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室經(jīng)理。