擋泥板支架疲勞試驗方法探究

劉香愛，田朋濤，賀娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

關鍵字：擋泥板支架；疲勞理論；雨流計數法原理；單級加載譜試驗；道路模擬試驗

引言

汽車上大多數關鍵零部件的失效問題都是由振動疲勞引起的，伴隨著汽車工業的快速發展，人們越來越重視結構設計中的疲勞壽命問題，疲勞耐久試驗成為新開發的車型和關鍵零部件的主要考核項目之一。

針對整車搭載耐久試驗成本高、周期不可控等因素，通過臺架試驗對零部件振動耐久性能進行驗證成為主要試驗手段。道路模擬試驗方法和塊譜加載試驗方法是目前應用較為廣泛的兩種臺架試驗方法。道路模擬試驗方法是將道路載荷譜再現于室內臺架進行載荷加載試驗。塊譜加載試驗方法是基于雨流統計和疲勞損傷累積理論，將實際道路載荷譜生成當量偽損傷等效的循環載荷，塊譜加載試驗分為單級譜加載試驗和多級譜加載試驗[1]。

1 疲勞理論

1.1 線性疲勞損傷準則[3-5]

線性疲勞累計損傷準則是指在循環載荷作用下，疲勞損傷是可以線性的累加的，各個應力之間相互獨立和互不相關，當累加的損傷達到某一數值時，試件或構件就發生疲勞破壞。線性累計損傷理論中經典的是Palmgren-Miner理論，簡稱Miner理論。

用數學的方法表示，Miner理論可以表示如下：

式中，ni表示第i種幅值的載荷循環次數，Ni,f表示第i種幅值的載荷作用下，試件的疲勞壽命，Di表示第i種幅值的載荷對試件產生的損傷。

1.2 偽損傷

基于Palmgren-Miner理論、Wohler曲線和雨流循環計數的概念，輸入載荷是一組雨流循環，最簡單的Wohler曲線以Basquin方程形式給出：

其中幅值Si的循環損傷貢獻是，由1.1中線性疲勞累計損傷準則，它對所有計數載荷的損傷求和：

我們希望偽損傷不依賴于材料模型，因此將偽損傷定義為：

則損傷與偽損傷的關系為：

式中α為比例常數，β為材料的損傷指數。

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1.3 雨流計數法原理

把應變-時間歷程樣本記錄轉過90°，時間坐標軸豎直向下，樣本記錄猶如一系列屋面，雨水順著屋面往下流，故稱為雨流法。雨流法有下列規則：

（1）雨流在試驗記錄的起點和依次在每一個峰值的內邊開始，亦即從1，2，3…等尖點開始；

（2）雨流在流到峰值處（即屋檐）豎直下滴，一直流到對面有一個比開始時最大值（或最小值）更正的最大值（或更負的最小值）為止。

（3）當雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時就停止流動；

（4）如果初始應變為拉應變，順序的始點是拉應變最小值的點；

（5）每一雨流的水平長度是作為該應變幅值的半循環計數的。

圖1 載荷-時間歷程的雨流計數法原理

2 道路模擬試驗[2]

擋泥板支架是汽車擋泥板總成中的結構件，是將擋泥板、擋泥簾及防飛濺等附件（以下簡稱擋泥板系統）與車架縱梁連接在一起的橋梁，擋泥板支架底座固定在車架縱梁上，擋泥板支架承載擋泥板系統的重量。在試驗過程中，將擋泥板支架及擋泥板系統作為一個整體來進行驗證。在某試驗場進行道路載荷譜采集的過程中，將加速度傳感器布置于擋泥板固定點車架位置、擋泥板支架端部，應變片布置于擋泥板支架熱點位置。

圖2 加速度信號

圖3 應變信號

為保證道路模擬試驗精度，道路模擬試驗加速度傳感器和應變片布置與試驗場保持一致，根據試驗需求搭建道路模擬試驗臺，對試驗場采集的數據進行編輯和處理，加載到試驗臺上進行試驗驅動迭代，獲得滿足要求的臺架響應信號，提取各路段驅動信號，按照試驗場重型車強化路可靠性試驗各路況行駛順序，組合相應的各路段臺架驅動信號，生成室內臺架試驗程序，將其加載于道路模擬試驗臺上進行振動疲勞試驗。根據設計規范確定擋泥板支架設計壽命目標里程，等效于試驗臺架為3.4×104km（試驗時間約為357h）。3種型號擋泥板支架完成3.4×104km道路模擬試驗，試驗后樣件均無失效故障。

3 單級加載譜試驗

通過對擋泥板支架進行受力分析，可將其簡化為一個簡單的懸臂梁結構，將承載質量集中加載于擋泥板支架上。為了使該方法能適用于多種結構的擋泥板支架試驗，現統計出擋泥板支架在惡劣的使用環境下如寒冷天氣掛泥沙結冰的最大承載質量作為加載質量。

3.1 加載幅值的確定

對試驗場采集到的擋泥板端部原始加速度信號數據進行預處理，去尖角、毛刺，濾波等。通過計算端部加速度功率譜密度（PSD）（如圖4所示）可看出，能量主要集中在Z向，故本文主要考慮Z向載荷。對Z向載荷做雨流統計，選擇合適的加速值計算塊譜的加載幅值，F=ma=2.94kN。

圖4 PSD譜線

3.2 加載循環次數的確定

采集道路模擬試驗擋泥板支架熱點位置應力，根據Palmgren-Miner線性理論疲勞理論計算擋泥板設計壽命里程的偽損失。利用工裝夾具和液壓作動器搭建單級譜加載試驗臺架，這里需要說明在工裝設計時，應使擋泥板支架端部運動軌跡為弧形，采用銷軸連接，釋放Y向自由度，使缸體運動在加載中不受內力。根據經驗設定加載頻率為3Hz，在擋泥板支架熱點位置布置（與道路模擬試驗熱點位置一致）應變片采集應力，如圖6所示，根據Palmgren-Miner線性理論疲勞理論計算偽損失，最后根據損傷等效原理計算單級譜循環加載次數為11.4萬次，取整為12萬次（試驗時間為11.1h）。

圖5 雨流統計

圖6 單級譜加載應力

將3.1和3.2計算得到的單級加載譜加載于液壓試驗臺上進行加載試驗，完成3種型號擋泥板支架試驗，試驗后均無失效故障，與道路模擬試驗結果一致，說明該方法有效。

4 結語

本文首先通過對擋泥板支架載荷譜進行分析，結合支架實際的結構受力情況，通過雨流計數法原理確定單級譜加載幅值。然后根據Palmgren-Miner線性理論疲勞理論、擋泥板支架設計壽命目標里程計算載荷譜偽損傷，并通過損傷等效原理確定單級譜加載循環次數，最后進行單級加載譜試驗并通過道路模擬試驗驗證其可靠性。從方法的可靠性來說，兩種方法均可靠有效。從試驗時間、試驗成本、樣件組織的難易程度等來講，推薦使用單級譜加載試驗方法。但單級加載譜因考慮有限，在后續的研究中還需進一步優化。