趙成剛　屈凡

摘 要：車輛在人們的生活、生產(chǎn)中占據(jù)的地位日益重要，其在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到各種因素的影響，進(jìn)而降低了其使用效率和服務(wù)年限，因此，必須做好車輛零部件的維護(hù)管理工作。就車輛運(yùn)行的實(shí)際情況看，大部分關(guān)鍵零部件的失效都是因疲勞使用而導(dǎo)致的，疲勞耐久性是衡量車輛產(chǎn)品性能的主要指標(biāo)之一，在很大程度上代表了車輛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性現(xiàn)狀。對(duì)車輛的耐久性進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：疲勞耐久性；優(yōu)化措施；循環(huán)荷載；EIFS分布

中圖分類號(hào)：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.017

現(xiàn)代車輛的結(jié)構(gòu)逐漸向高速化和載重化的方向發(fā)展，為了保證車輛運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，就要對(duì)車輛結(jié)構(gòu)和各零部件有更為嚴(yán)格的要求。疲勞耐久性是衡量車輛零部件和結(jié)構(gòu)性能的主要指標(biāo)之一，可直接反映車輛的運(yùn)行狀態(tài)。但就車輛疲勞耐久性研究的現(xiàn)狀來(lái)看，還存在一定的不足。因此，為了提高對(duì)車輛疲勞耐久性研究的效果，需要對(duì)現(xiàn)存的不足進(jìn)行分析，并選擇有效的優(yōu)化措施，爭(zhēng)取不斷提高車輛的運(yùn)行效率。

1 車輛耐久性疲勞分析

耐久性即產(chǎn)品在規(guī)定使用和維修的條件下，達(dá)到極限狀態(tài)前完成規(guī)定功能的能力，從本質(zhì)上看，即產(chǎn)品在達(dá)到服務(wù)年限前，可維持正常狀態(tài)的時(shí)間。對(duì)于車輛而言，經(jīng)常會(huì)將汽車或零部件可以行駛一定里程而不發(fā)生故障作為衡量車輛耐久性的重要指標(biāo)。但在車輛長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的過(guò)程中，各零部件和構(gòu)件會(huì)受到循環(huán)荷載的影響，造成結(jié)構(gòu)部分發(fā)生永久性結(jié)構(gòu)變化，并在多次循環(huán)后形成裂紋或斷裂，這種情況稱為耐久性疲勞。一旦車輛結(jié)構(gòu)或零部件出現(xiàn)耐久性疲勞，則直接影響車輛運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。對(duì)于車輛的耐久性疲勞而言，其產(chǎn)生的主要原因是循環(huán)荷載作用，與疲勞損壞還有一定的距離，且一旦發(fā)生疲勞斷裂，則會(huì)導(dǎo)致車輛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生宏觀塑性變形。

2 車輛耐久性分析方法

2.1 分析對(duì)象

車輛耐久性分析的對(duì)象為疲勞壽命與強(qiáng)度有重要聯(lián)系的重要零部件，并基于結(jié)構(gòu)損傷度和可靠度進(jìn)行詳細(xì)分析，最終判斷其使用壽命。在對(duì)車輛進(jìn)行耐久性分析時(shí)，可將整個(gè)車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)或一部分作為研究對(duì)象，比如圓角、緊固孔和焊接件等，尤其是應(yīng)力水平高且應(yīng)力水平集中的部位。

2.2 材料參數(shù)

材料參數(shù)的分析對(duì)象包括斷裂韌性、EIFS分布和表面粗糙系數(shù)等。在研究時(shí)，基本上以概率斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，并通過(guò)試驗(yàn)的手段得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。其中，對(duì)于普通材料而言，可直接在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋相應(yīng)的參數(shù)信息，比如尺寸系數(shù)、斷裂韌性和表面粗糙度系數(shù)等。

2.3 使用期斷裂紋擴(kuò)展控制曲線

對(duì)于給定應(yīng)力區(qū)，隨著時(shí)間t的變化，對(duì)細(xì)節(jié)描述的當(dāng)量缺陷尺寸也會(huì)發(fā)生變化，且車輛的應(yīng)力區(qū)不同，裂紋的擴(kuò)展率也不同。在對(duì)車輛耐久性進(jìn)行分析時(shí)，為了提高預(yù)測(cè)裂紋超越數(shù)概率的可靠性，可以結(jié)合使用期裂紋擴(kuò)展控制曲線與EIFS分布，導(dǎo)出EIFS控制曲線所用的裂紋擴(kuò)展方式形式一致，則使用期裂紋擴(kuò)展率為：

da/dN=Qia. （1）

式（1）中：a為裂紋長(zhǎng)度；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Qia為使用期裂紋擴(kuò)展率。

控制曲線為：

yTi（t）=arexp（-Qit）. （2）

式（2）中：yTi為當(dāng)量初始缺陷尺寸；ar為試驗(yàn)常數(shù)；Qi為裂紋擴(kuò)展參數(shù)。

2.4 裂紋超越數(shù)

給定應(yīng)力區(qū)i裂紋超越數(shù)即在指定時(shí)間t內(nèi)該應(yīng)力區(qū)i結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)群中裂紋尺寸超過(guò)ar的細(xì)節(jié)數(shù)量，用N（i，t）表示，并作為一個(gè)離散型隨機(jī)變量，且會(huì)隨著時(shí)間t的變化而變化。假設(shè)應(yīng)力區(qū)每個(gè)細(xì)節(jié)相對(duì)小裂紋尺寸擴(kuò)展相互獨(dú)立，則每個(gè)細(xì)節(jié)在時(shí)間t時(shí)，裂紋尺寸可達(dá)到ar的概率為p（i，t）。如果確定應(yīng)力區(qū)i中所含細(xì)節(jié)數(shù)為Ni，則在時(shí)間t時(shí)的裂紋尺寸超過(guò)ar的細(xì)節(jié)數(shù)為N（i，t），服從參數(shù)為Ni與p（i，t）二項(xiàng)式分布，則平均裂紋超越數(shù)為：

N（i，t）=Nip（i，t）. （3）

式（3）中：N（i，t）為時(shí)間t內(nèi)裂紋尺寸超過(guò)ar的細(xì)節(jié)數(shù)；Nip（i，t）為平均裂紋超越數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差為：

σN（i，t）={Nip（i，t）[1-p（i，t）]}1/2. （4）

在對(duì)車輛耐久性進(jìn)行分析時(shí)，則其結(jié)構(gòu)指定細(xì)節(jié)群會(huì)包含多個(gè)應(yīng)力區(qū)，可用L（t）表示結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)群中裂紋尺寸超過(guò)ar的細(xì)節(jié)數(shù)量，且會(huì)隨著時(shí)間t的變化而變化。如果每個(gè)應(yīng)力區(qū)的細(xì)節(jié)數(shù)N都比較大時(shí)，N（i，t）所對(duì)應(yīng)的二項(xiàng)式分布依據(jù)中心極限定理趨近于數(shù)學(xué)期望N（i，t）和方差σN2（i，t）正態(tài)分布，則近似有N（i，t）～N[N（i，t），σN2（i，t）]，則細(xì)節(jié)群裂紋超越數(shù)為：

. （5）

式（5）中：L（t）為正態(tài)變量。

則細(xì)節(jié)群平均裂紋超越 和標(biāo)準(zhǔn)差σL（i）表示為：

. （6）

. （7）

3 基于CAE技術(shù)的車輛疲勞耐久性分析

3.1 建立多體動(dòng)力學(xué)模型

建立多體動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，應(yīng)利用整車和零部件參數(shù)建立總成系統(tǒng)，以完成運(yùn)動(dòng)學(xué)個(gè)動(dòng)力學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，主要包括汽車操縱的穩(wěn)定性、安全性和平順性等性能的精確模擬和計(jì)算。整個(gè)ADAMS/CAR建模過(guò)程為自下而上，逐次完成各個(gè)模板的建立，再由相應(yīng)的模板生成子系統(tǒng)，最終由每個(gè)子系統(tǒng)組裝成整個(gè)車的模型。其中，子系統(tǒng)是以模板為基礎(chǔ)建立的，由多個(gè)零件組合而成，主要包括設(shè)計(jì)參數(shù)、模板文件和引用屬性文件等多方面的說(shuō)明。整車建模需要對(duì)部分零部件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，比如將車身看作為剛體，利用車身質(zhì)心位置處的質(zhì)量點(diǎn)建模。

3.2 車輛零部件動(dòng)應(yīng)力計(jì)算

應(yīng)用瞬態(tài)響應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析法分析，在獲取零部件接連點(diǎn)位置的荷載譜后，對(duì)零部件各點(diǎn)應(yīng)力譜進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，公式為：

Mu'+Cu''+Ku=F（t）. （8）

式（8）中：M為質(zhì)量矩陣；u'為節(jié)點(diǎn)加速度向量；C為阻尼矩陣；u''為節(jié)點(diǎn)速度向量；K為剛度矩陣；u為節(jié)點(diǎn)位移向量；F（t）為荷載時(shí)間歷程。

可選擇此類分析方法對(duì)車輛零部件動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)有效的求解方法有振型疊加法和直接法。其中，如果實(shí)際荷載信號(hào)比較長(zhǎng)，且有限元模型比較復(fù)雜，則零部件動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)計(jì)算難度較大，所需時(shí)間更長(zhǎng)，因此，為了在有效時(shí)間內(nèi)取得準(zhǔn)確性高的結(jié)果，應(yīng)選擇用振型疊加法。

3.3 車輛零部件動(dòng)態(tài)荷載分析

車輛零部件動(dòng)態(tài)荷載分析分為以下2部分：①試驗(yàn)法。對(duì)檢測(cè)車輛安裝傳感器進(jìn)行路面試驗(yàn)，以獲得零部件的載荷時(shí)間歷程。整個(gè)系統(tǒng)中所需的數(shù)據(jù)采集工具有六分力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和應(yīng)變片等。此種方法是一種最直接獲取載荷的方式，車輛在實(shí)際路面行駛過(guò)程中即可獲取其載荷時(shí)間歷程，為汽車零部件疲勞壽命分析的精確度提供了有力的保證。②多體動(dòng)力學(xué)分析。采用ADAMS軟件自帶的路面模型為分析中的激勵(lì)，獲取零部件接連點(diǎn)疲勞分析荷載信號(hào)。該方法操作方便，可有效降低檢測(cè)成本，但最終結(jié)果會(huì)受到實(shí)際路面情況和整車模型等因素的影響。

4 近似模型結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化技術(shù)分析

采用近似模型對(duì)車輛抗疲勞優(yōu)化技術(shù)進(jìn)行分析，主要是利用統(tǒng)計(jì)方法和數(shù)學(xué)建模為基礎(chǔ)，以顯式表達(dá)方式實(shí)現(xiàn)模型的優(yōu)化，可有效提高計(jì)算速度，降低結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題。在完成參數(shù)化建模后，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取每個(gè)設(shè)計(jì)組合的樣本點(diǎn)，并計(jì)算各樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的函數(shù)值，從而完成相似模型的建立。

參數(shù)模型的建立通過(guò)變量代替原始模型中的屬性，保證整個(gè)有限元模型成為帶有一系列設(shè)計(jì)變量的參數(shù)化模型。同時(shí)，可對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用可對(duì)有限元模型中的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行調(diào)整，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)算，保證所有優(yōu)化目標(biāo)的約束條件可達(dá)到預(yù)定要求，從而達(dá)到提高計(jì)算速度、降低計(jì)算成本的目的。而近似模型的建立可以利用DOE樣本點(diǎn)和響應(yīng)值完成，從而確定設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上利用優(yōu)化算法進(jìn)行快捷優(yōu)化。選擇此種方法處理，可有效減少計(jì)算誤差，且可代替高強(qiáng)度仿真計(jì)算，提高結(jié)算的綜合效率。近似模型包括最小二乘響應(yīng)面模型、移動(dòng)最小二乘響應(yīng)模型等。目前，模型方法在車輛疲勞耐久性優(yōu)化中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且隨著近似模型的不斷優(yōu)化，取得的效果也越來(lái)越明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)車輛疲勞耐久性分析可更好地了解車輛機(jī)械結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)，從而采取有效的優(yōu)化措施，不斷提高車輛運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。因此，應(yīng)結(jié)合實(shí)際需求，對(duì)存在的不足進(jìn)行研究，爭(zhēng)取提高耐久性分析的有效性，確保車輛運(yùn)行效率的不斷提高。

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〔編輯：張思楠〕