郭學(xué)靜

摘要： 本文研究了汽車排氣系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集，對得到的數(shù)據(jù)進行雨流計數(shù)疲勞壽命估算，得到載荷譜。然后進行構(gòu)件的疲勞壽命試驗，做出P-S-N曲線。應(yīng)用 Miner理論，可得到構(gòu)件的損傷度。從而可以分析排氣系統(tǒng)不同部位在給定的路面激勵下的損傷，評估排氣系統(tǒng)的耐久風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：疲勞壽命;RLDA;雨流計數(shù);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(guān)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(guān)注，但其結(jié)構(gòu)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(guān)注的重點。鑒于國內(nèi)排氣系統(tǒng)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(lǐng)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(lǐng)域有一定程度的補充，可作為排氣系統(tǒng)早期研發(fā)設(shè)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(shè)計、安全評價等運用這種測試方法，可立即得到測試結(jié)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(fù)雜構(gòu)件的試驗問題，為汽車排氣系統(tǒng)的安全性設(shè)計提供了依據(jù)。

1.RLDA數(shù)據(jù)采集

在零部件關(guān)鍵位置安裝傳感器，關(guān)鍵位置可以根據(jù)有限元分析結(jié)果選取。數(shù)據(jù)采集一般采用應(yīng)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(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)或者主機廠提供商的整車工裝樣車道路試驗技術(shù)規(guī)范執(zhí)行。車輛狀態(tài)一般為空載，半載，滿載，具體配重見標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。試驗路面分為組合壞路和高速環(huán)路等。

2.構(gòu)件的疲勞試驗

構(gòu)件的疲勞試驗是分析構(gòu)件承載能力的試驗，目的是要得到構(gòu)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(gòu)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(yīng)力循環(huán)次數(shù)成線性比這一假設(shè)公式化， 建立了著名的Miner準(zhǔn)則

其中， 每一級變幅循環(huán)應(yīng)力為Si， i=1， 2，， n，ni 為Si 的循環(huán)次數(shù)，Nci 為與Si 相對應(yīng)的疲勞壽命，即圖1 P-S-N曲線中對應(yīng)的循環(huán)次數(shù)。

基于Miner準(zhǔn)則，可以將圖5中應(yīng)力Si對應(yīng)的ni與圖8種Si對應(yīng)的Ni進行對比，求和即可得到損傷，

該部位的壽命為

一般認(rèn)為壽命在100以上為低風(fēng)險。

4.結(jié)論

汽車排氣系統(tǒng)設(shè)計過程中，根據(jù)前期的CAE分析得到系統(tǒng)的高風(fēng)險部位，進行實際的數(shù)據(jù)道路采集得到各個部位的載荷譜，通過構(gòu)件的疲勞壽命試驗得到構(gòu)件P-S-N曲線，應(yīng)用Miner準(zhǔn)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(jié)省金錢和時間成本。本文介紹的試驗方法已應(yīng)用到眾多汽車的排氣系統(tǒng)開發(fā)，成為目前排氣系統(tǒng)在道路耐久性開發(fā)的有效試驗方法。

參考文獻：

[1]徐灝.疲勞強度設(shè)計[M].北京： 機械工業(yè)出版社，1983.

[2]傅惠民.疲勞強度概率分布.北京航空學(xué)院研究生院，1986（9）

[3]董樂義，羅俊.雨流計數(shù)法及其在程序中的具體實現(xiàn)[J].西安空軍工程大學(xué)工程學(xué)院： 計算機技術(shù)與應(yīng)用，2004，24（3）：38-40.

[4]徐宜.基于雨流法的機械疲勞分析[J].北京：車輛與動力技術(shù)，2008，3：11-15

[5]A.Fatern，L. Yang. Cumulative fatigue damage and life prediction theories： a survey of the state of the art for homogeneousm aterials[J]. International journal of fatigue，1998，2009–34.

[6]倪侃，高鎮(zhèn)同.疲勞可靠性二維概率Miner準(zhǔn)則[J].固體力學(xué)學(xué)報，1996，17（4）：365-371.