用戶關聯技術在整車可靠性試驗中的應用

武 振，郭瑞玲，梁 東，耿 號 Wu Zhen，Guo Ruiling，Liang Dong，Geng Hao

用戶關聯技術在整車可靠性試驗中的應用

武 振，郭瑞玲，梁 東，耿 號
Wu Zhen，Guo Ruiling，Liang Dong，Geng Hao

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

通過論述用戶關聯技術在整車可靠性試驗中的應用與發展，合理考慮用戶的使用情況，把整車試驗場可靠性試驗工況與用戶實際使用工況進行關聯分析。主要從用戶關聯的技術原理、Miner線性疲勞損傷累積理論、雨流循環計數、Monte Carlo仿真、關聯模型建立等方面對用戶關聯技術在車型開發階段的整車可靠性試驗中的應用和關鍵問題等方面進行綜合論述。為汽車企業對于用戶實際使用情況下的車輛可靠性設計和行業內整車可靠性試驗標準體系建立提供參考。

用戶關聯；疲勞損傷；雨流計數；Monte Carlo仿真

0 引 言

汽車產品在設計研發、試驗驗證階段，都應該結合用戶的實際使用情況進行考慮。可靠性試驗是考核和驗證汽車耐久性的重要手段，大多數偏向于強度試驗而不是壽命試驗，保證在最差的工況下車輛構件不發生斷裂失效，且滿足一定的工程要求。這在很大程度上依賴于經驗和習慣，并沒有合理地考慮符合用戶使用的條件[1]1。這導致用戶在實際使用汽車產品時會暴露出很多試驗中沒有發生的故障和缺陷，所以可靠性試驗設計必須將用戶的使用條件考慮在內，針對用戶的使用情況建立合理的試驗場道路和試驗室臺架試驗方法。

通過研究用戶關聯技術在整車試驗場可靠性試驗中應用和未來發展，闡述用戶關聯技術在產品開發階段的重要作用和意義。

1 用戶關聯技術原理

汽車行駛在不同特征道路上時不僅受到來自不平路面的載荷沖擊，同時受到路面的反作用力，故行駛過程中車輛承受著各種復雜的不同幅值的循環載荷；另外，汽車發動機或驅動電機本身也是振動源，因此汽車行駛時處于一個復雜的振動環境中。

根據金屬疲勞損傷原理，車輛產生的疲勞損傷主要來自路面的循環載荷。汽車各部件所承受的載荷基本與汽車的輸入載荷成比例，基于此，采用用戶關聯技術將用戶使用道路的復雜載荷工況通過試驗場不同道路之間的組合得以復現，達到加速試驗的目的。用戶關聯手段不是為了求取車輛及部件的實際疲勞壽命，而是為了在試驗場這樣易于控制的環境中，制定出符合用戶使用情況的可靠性試車規范，在短時間內復現用戶的實際使用情況[1]3，主要包括以下4部分。

1.1 用戶調查

通過用途定位、市場定位、目標客戶定位等方面，對車輛用戶使用的路面區域、路面類型、里程比例、使用習慣（車速、負載）、自然環境、社會環境等因素進行全方位調查，構建用戶實際使用的行駛環境和工況。

1.2 用戶載荷譜采集

根據用戶調查結果構建的用戶使用環境及工況，開展車輛在用戶使用目標壞境下的路面載荷采集，然后利用雨流循環計數法統計各路面載荷循環幅值和范圍分布；其中，采集目標用戶載荷時必須保證車輛的負荷、試驗路段、駕駛習慣等具有用戶使用的典型性和代表性。

1.3 試驗場載荷譜采集

采集車輛在試驗場各種強化路面上的載荷數據，保證各種強化路面的載荷數據完整、準確，然后通過雨流循環計數法統計試驗場和強化路面的載荷循環幅值和范圍分布。

1.4 當量關系匹配

通過車速、負載、路面比例等組合疊加試驗場強化路面的載荷雨流循環矩陣，對比用戶路面總載荷的雨流范圍分布，計算兩者產生的名義損傷和比例關系；然后不斷優化試驗場組合路面的循環載荷分布，最終確定整車可靠性試驗的當量關系，使其符合用戶使用的用途目標設計要求。用戶關聯技術路線如圖1所示。

圖1 用戶關聯技術路線

2 疲勞損傷的理論與計算

汽車上各種金屬構件由于疲勞導致的失效其實是一個損傷累積的過程。疲勞損傷累積理論是指金屬部件經過疲勞壽命試驗，對構件疲勞失效過程的機理進行分析，揭示每一次外部載荷循環對構件產生的疲勞損傷之間的相互關系和分布規律；因此，車輛構件的疲勞損傷主要由各種使用道路產生的循環載荷所引起。

2.1 Miner線性疲勞損傷累積理論

Miner線性疲勞損傷累積理論是在對金屬構件疲勞損傷累積問題進行大量試驗研究的基礎上將線性損傷累積理論公式化后形成，如式（1）所示，大量試驗結果表明臨界疲勞損傷的均值接近1，且多數情況下其壽命估算與試驗結果吻合度較高，其目前應用最為普遍。

式中：為疲勞累積損傷；為載荷等級；n為第級載荷下實際載荷循環次數；(f)為第級載荷下的疲勞壽命[2]2。

Miner理論的假設前提為：（1）不論構件材料損傷處于何種狀態，相同載荷產生相同的損傷；（2）損傷與載荷的作用次序無關；（3）當=1時，即各載荷循環應力產生的所有損傷值累積相加為1時，構件將會產生工程裂紋，最終導致構件發生疲勞失效。

2.2 疲勞損傷值的計算

金屬構件材料在發生疲勞失效前所經歷的應力或應變循環數稱為疲勞壽命，用材料曲線表示應力或應變水平與使用標準樣件得到的疲勞試驗壽命之間的關系[3]37。循環載荷數據經過雨流計數法統計處理后，結合-曲線，計算出構件的疲勞損傷值，進而計算出基準路面與試驗場路面之間的疲勞損傷對比值m。

需要指出的是，車輛各構件應力循環計算出的m值為相對值，因為車身和底盤都是由多種材料組成，每一種材料都有對應的曲線，所以不能簡單代入計算出絕對損傷值。用戶關聯技術的應用主要是通過構建理想的曲線，將基準路面載荷循環和試驗場路面載荷循環的輸入值代入-曲線，將m值調整到1，計算流程如圖2所示。

圖2 疲勞損傷值計算流程

3 用戶關聯模型的建立

汽車生產企業在設計和試驗時，一般對車輛目標行駛里程與用戶使用群體的某個百分位點相匹配。如果100%覆蓋用戶群體，那么必須保證最惡劣的用戶使用工況下能夠正常使用，將會導致汽車設計、試驗、生產成本無限增加。通常汽車生產企業會選擇B10壽命設計法，即按照滿足90%用戶的使用目標進行車輛行駛里程的設計和驗證[3]14。

因此，在整車開發階段的可靠性試驗中，應用用戶關聯技術涵蓋的90%目標用戶實際使用工況，獲取相應的整車載荷譜。

3.1 用戶使用目標建立

廣泛調查用戶的使用情況是建立合理的用戶使用目標的有效途徑，可通過主觀問卷調查和客觀數據采集等途徑得到。對汽車用戶和潛在用戶進行調查、統計和分析，主要內容包括用戶使用車型、路面狀況、里程比例、車速、負載、交通環境、自然壞境（地理環境、氣候壞境）以及駕駛員的駕駛習慣等[4]23，見表1，用戶其他的使用習慣或客觀數據采集以相同的方法進行。

表1 用戶使用情況調查表（樣例）

3.2 Monte Carlo仿真

通過用戶調查和采集得到的樣本量有限，結果無法無限接近用戶的真實使用情況，一般采用Monte Carlo（蒙特卡洛）方法擬合用戶使用數據的真實分布[5]。Monte Carlo方法是一種隨機模擬的方法，以概率和統計理論方法為基礎，使用隨機數（或更常見的偽隨機數）模擬隨機現象進行分析、預測。

使用Monte Carlo方法擬合汽車目標用戶真實的道路里程分配情況的步驟[2]3如下。

（1）在研究汽車的可靠性工程中，工程材料的疲勞強度、疲勞壽命、磨損壽命、腐蝕壽命以及許多單元組成的汽車總成，一般都服從威布爾分布。對于用戶使用的典型路面，各部件的疲勞壽命里程服從三參數威布爾分布，其函數分布為

概率密度函數為

式中：為疲勞壽命里程，為威布爾分布中位置參數，為威布爾分布中形狀參數，為威布爾分布中尺度參數[3]15。

因此，首先計算出各種特征道路下對應的B10失效里程，然后根據Miner疲勞損傷累積理論計算出所有類型路面下的總疲勞失效里程。設A為用戶使用的平均目標里程，()為目標里程的概率密度分布函數，則滿足關系

（2）統計所用通過用戶調查得到的有效樣本數，根據式（4）計算得出所有用戶樣本的實際目標里程，得到每一個調查用戶樣本的實際目標里程分別為C1，C2，C3，…，CN，則目標用戶使用的真實平均目標里程結果為

式中：Ci為用戶總疲勞失效里程，計算方法為

式中：1，2，…，L為用戶在對應的不同路面下的疲勞失效里程；1，2，…，f為用戶使用的不同路面占總里程的百分比。a為質量調整因數，計算式為

式中：PL為空載失效里程；PH為滿載失效里程；R為用戶調查的車輛總質量；L為空車總質量；H為滿載總質量；ACQ為典型路面試驗的車輛總質量。

（3）使用式（5）中的用戶真實平均目標里程AN對式（4）中的計算積分A的數值通過Monte Carlo仿真方法進行隨機模擬估計，從而獲得涵蓋90%用戶使用情況的目標里程，進而可確定90%用戶使用時的整車疲勞損傷載荷譜，即分級雨流循環矩陣。

3.3 雨流循環外推

采集目標用戶使用車輛在全生命周期里程的載荷譜數據會受到時間、設備、人員、成本等因素的限制，無法對用戶使用壽命的全部載荷歷程進行測量；故只能實現短時間、短里程的代表性測量，然后通過雨流循環外推的方法獲取用戶目標的全生命周期使用載荷譜。

雨流循環外推法根據一個短期的載荷測量預測更長時間周期內載荷的雨流分布，不僅能夠實現將已經測試到的載荷進行外推，而且能夠有效地預測到沒有采集到的對車輛疲勞影響很大的載荷數據，可以較為客觀地反映用戶使用目標里程的車輛全生命周期的載荷分布情況。雨流循環外推法比較傳統的方式是根據短時間的載荷測量結果，利用循環雨流計算矩陣建立累計頻率分布（累計超過數分布圖），然后將循環數和載荷譜外推到用戶使用目標里程的全生命周期[4]20。以某用戶道路左前輪為例，其目標載荷譜雨流外推過程如圖3所示。

3.4 關聯模型的計算

首先通過統計計算得到90%用戶實際使用目標里程下的分級雨流循環矩陣；其次利用式（1）計算出90%用戶使用目標里程的疲勞損傷值；再次通過選擇和疊加試驗場強化路的路面類型、行駛車速、行駛里程以及裝載情況等，計算組合路面下載荷輸入對車輛產生的總疲勞損傷值如式（8）；最后調整、優化試驗場組合道路和其他行駛條件，使得在試驗場組合道路下車輛產生的疲勞損傷值與用戶目標里程下車輛產生的疲勞損傷值相等，即m值為1或接近1。這樣使車輛在試驗場可以進行基于用戶使用情況的可靠性強化試驗。

綜合上述分析，建立的用戶關聯等損傷計算模型為

式中：X為試驗場第種路面試驗對車輛部件的損傷；A為試驗場第種路面的循環次數；Y為車輛部件滿足90%用戶使用目標里程的疲勞損傷；為載荷幅值總區間數；為試驗場路面總數[2]3。

基于以上用戶關聯模型建立的理論方法，以某一款中大型SUV耐久項目為例，首先在通用的試驗場可靠性規范下完成試驗后，并沒有暴露出由市場反饋回來的部分變速器懸置支架出現裂紋的問題。然后經由以上用戶關聯模型進行重新制定試驗場耐久規范后，試驗車輛變速器懸置支架在試驗進行至6 500 km時出現輕微裂紋。因此，使用用戶關聯技術在試驗場可靠性試驗中能夠快速暴露出車輛的故障缺陷，縮短試驗周期，降低試驗成本及開發費用。

4 總 結

基于Miner線性疲勞損傷累積理論、雨流循環計數及雨流外推法、Monte Carlo仿真等方法，論述了用戶關聯技術在整車可靠性試驗中的應用背景及技術方案。通過等效損傷原則，建立用戶與試驗場的關聯計算模型，確定符合90%用戶使用目標里程的整車試驗場可靠性試驗方法[4]。應用用戶關聯技術可以合理地反映出用戶使用車輛全生命周期中可能出現的故障，及時反饋給設計團隊，從而高效準確地予以解決。

目前滿足不同車型、不同道路條件的整車可靠性試驗的強化系數差別很大，每一次強化試驗的結果都需要采集大量的數據進行驗證[6]。用戶關聯技術的應用和推廣是未來整車可靠性試驗技術發展的重要方向之一，需要進行大量的數據統計和分析，針對不同區域、不同車型、不同工況的用戶群體，采集建立典型的道路載荷數據庫，進而制定滿足不同車型的用戶關聯模型計算方法。

[1]林曉斌. 關聯用戶用途的試車技術[J]. 中國機械工程，1998（11）：3-5.

[2]門玉琢，李顯生，于海波. 與用戶相關的汽車可靠性試驗新方法[J]. 機械工程學報，2008（2）：223-229.

[3]于海波. 汽車承載系試驗場用戶關聯可靠性試驗方法研究[D].長春：吉林大學，2008.

[4]石慧奇. 基于用戶使用目標的汽車試驗場試驗規程研究[D].西安：長安大學，2015.

[5]韓愈，孟廣偉，門玉琢. 車輛用戶載荷譜試驗場關聯強化試驗方法[J]. 振動.測試與診斷，2014，34（6）：1088-1093，1171-1172.

[6]魏朗，周文財，田順，等. 強化試驗技術在車輛可靠性試驗中的應用[J]. 機械設計，2020，37（1）：1-9.

2020-07-08

U467.1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.004

1002-4581（2020）05-0016-05