寧世儒，張冠勇，龐方超

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，天津 300300）

前言

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)結(jié)束了連續(xù)29年的增長(zhǎng)奇跡，市場(chǎng)對(duì)于汽車產(chǎn)品的可靠性和安全性提出越來(lái)越高的標(biāo)準(zhǔn)和要求[1-2]。因此在整車研發(fā)周期中，零部件產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證至關(guān)重要[3]。目前主流的測(cè)試方法有三種：實(shí)車道路試驗(yàn)、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)以及虛擬仿真技術(shù)。因?qū)嵻嚨缆吩囼?yàn)周期長(zhǎng)，成本高，需要耗費(fèi)大量人力與物力，以加速和強(qiáng)化思想為核心的汽車零部件耐久性臺(tái)架試驗(yàn)和虛擬仿真技術(shù)已成為縮短整車產(chǎn)品研發(fā)周期與提高可靠性的重要手段。

汽車行業(yè)中通用的零部件產(chǎn)品疲勞設(shè)計(jì)理念[4]如圖1所示，其中疲勞模擬臺(tái)架測(cè)試主要利用工裝模塊和設(shè)備將待測(cè)零部件或組成系統(tǒng)按照實(shí)車道路運(yùn)行工況固定起來(lái)，依據(jù)相應(yīng)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行一定強(qiáng)度、頻率和次數(shù)的測(cè)試，待試驗(yàn)結(jié)束后檢查被測(cè)零件是否滿足設(shè)計(jì)要求[5]。而虛擬仿真技術(shù)則是利用相關(guān)疲勞失效分析軟件，將采集到的實(shí)車道路載荷譜數(shù)據(jù)、應(yīng)力失效模型以及相關(guān)零件材料屬性輸入到多體動(dòng)力學(xué)仿真模型中，最后輸出疲勞耐久仿真分析結(jié)果。最終將兩者的試驗(yàn)結(jié)果相互印證，實(shí)現(xiàn)汽車零部件產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

圖1 汽車零部件疲勞耐久設(shè)計(jì)理念示意圖[4]

目前國(guó)內(nèi)外高校學(xué)者與工程師已對(duì)汽車零部件疲勞耐久性試驗(yàn)方法與策略進(jìn)行深入研究，大幅縮短新車研發(fā)周期，滿足整車開發(fā)需求。本文主要對(duì)汽車零部件可靠性測(cè)評(píng)技術(shù)研究現(xiàn)狀以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行論述。

1 汽車零部件試驗(yàn)載荷譜編輯方法

汽車零部件疲勞耐久性臺(tái)架試驗(yàn)中輸入載荷是保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的重要環(huán)節(jié)，但完整地施加實(shí)際道路載荷時(shí)間歷程，將會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間以及試驗(yàn)成本。因此對(duì)所采集到的實(shí)際道路工況載荷譜進(jìn)行加速編輯，以保證在載荷加載效果相同的前提下，得到時(shí)間歷程更短的載荷譜，這對(duì)于零部件疲勞耐久性試驗(yàn)研究至關(guān)重要。大多數(shù)學(xué)者與工程師對(duì)實(shí)際道路載荷-時(shí)間歷程的加速編輯進(jìn)行研究[6]，采用帶通濾波預(yù)處理方法后，后續(xù)在壓縮載荷-時(shí)間歷程方面，主要有以下兩種經(jīng)典方法[7]：

（1）在時(shí)域方面，主要是基于損傷保留原理去除掉原始載荷譜中存在不產(chǎn)生損傷或產(chǎn)生損傷較小的小幅值載荷。國(guó)內(nèi)外比較典型的研究有：上官文斌教授[8]采用基于損傷保留的編輯方法證明編輯載荷譜用于懸置耐久性試驗(yàn)研究的可行性，大大縮短了試驗(yàn)時(shí)間。Kadhim N.A.等[9]利用基于損傷保留的編輯方法對(duì)某汽車下擺臂的應(yīng)變-時(shí)間信號(hào)進(jìn)行編輯，相應(yīng)的編輯過(guò)程與結(jié)果如圖2所示，對(duì)比原始載荷與編輯后載荷歷程，結(jié)果表明載荷編輯會(huì)大幅縮短作用時(shí)間，提高計(jì)算效率。Mattetti等[10]采用損傷保留編輯法對(duì)位移-時(shí)間信號(hào)進(jìn)行加速編輯，最終保證損傷保留量為99%的同時(shí)，信號(hào)時(shí)間縮短了45%，加速效果明顯。錢立軍、吳俊道等[11]利用基于載荷譜損傷與功率譜密度的編輯方法對(duì)載荷譜進(jìn)行編輯，結(jié)果表明該方法有利于實(shí)現(xiàn)迭代和大幅縮短試驗(yàn)時(shí)間。鄭松林等[12]提出了一種考慮偽損傷保留量的道路載荷譜編輯方法，具體編輯加速譜的流程如圖3所示。最終使位移信號(hào)既滿足了載荷信號(hào)編輯前后偽損傷保留量的要求，又縮短了載荷信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度，減少試驗(yàn)時(shí)間。

圖2 道路應(yīng)變-時(shí)間信號(hào)編輯過(guò)程與結(jié)果[9]

圖3 考慮偽損傷保留量的加速譜編制流程圖[12]

（2）在頻域方面，主要采用頻率變換方法對(duì)原始載荷譜進(jìn)行編輯，保證編輯前后的損傷保留量在規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)使載荷譜的統(tǒng)計(jì)參量（均值、方均根及峰度系數(shù)）以及頻域信息保持一致，進(jìn)一步提升試驗(yàn)結(jié)果的精確性。較為典型的研究成果如下：Abdullah S等[13]首次利用短時(shí)傅里葉變換對(duì)某汽車左下懸掛應(yīng)變-時(shí)間信號(hào)載荷譜進(jìn)行時(shí)頻分析，得出應(yīng)變信號(hào)的能量分布，刪掉其中能量小的片段，之后利用累積功率譜密度識(shí)別并提取損傷貢獻(xiàn)量大的信號(hào)片段，拼接成縮減應(yīng)變信號(hào)，保證信號(hào)編輯后的統(tǒng)計(jì)參數(shù)變化量控制在10%之內(nèi)，信號(hào)時(shí)間壓縮至原先的84.67%[14]。除此之外，國(guó)內(nèi)外學(xué)者還研究了基于小波變化的載荷編輯方法，上官文斌、鄭國(guó)峰等[15]對(duì)某乘用車動(dòng)力總成懸置的載荷-時(shí)間歷程進(jìn)行小波變換，對(duì)不同小波參數(shù)下的高頻分量進(jìn)行閾值劃分。選取出高于閾值的小波分量所對(duì)應(yīng)的信號(hào)時(shí)間點(diǎn)，最后利用包絡(luò)線法識(shí)別并提取這些信號(hào)時(shí)間點(diǎn)鄰近的對(duì)損傷貢獻(xiàn)量較大的信號(hào)片段，拼接得到縮減信號(hào)。圖4對(duì)比了基于損傷保留編輯與小波變換編輯載荷譜后的功率譜密度圖，從中可以看出基于小波變換編輯方法可將載荷譜時(shí)間縮短更多，為汽車零部件的多軸載荷譜的加速編輯提供了一種新方法。Abdullah S.等[16]通過(guò)小波分量識(shí)別信號(hào)中的“Bump”信號(hào)，定位“Bump”信號(hào)的時(shí)間軸，提取損傷貢獻(xiàn)量大的載荷循環(huán)，實(shí)現(xiàn)載荷譜的縮減，并以載荷譜信號(hào)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)（方均根及峰度系數(shù)）為約束條件，很好地保證了編輯前后信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征一致。

圖4 懸置總成載荷譜編輯前后功率譜密度圖[15]

2 汽車零部件疲勞耐久性臺(tái)架試驗(yàn)概況

汽車零部件疲勞耐久性臺(tái)架試驗(yàn)是考慮零件自由度、頻率等因素選定好合適的臺(tái)架試驗(yàn)方案，通過(guò)特定的試驗(yàn)設(shè)備以及工裝夾具將零件連接到試驗(yàn)臺(tái)架上，模擬汽車零部件在實(shí)際道路工況下的疲勞耐久性情況[17]。

現(xiàn)有的零部件臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要有兩種方式：一種為改進(jìn)性設(shè)計(jì)，既在已有的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上通過(guò)改裝夾具和連接件來(lái)滿足不同試驗(yàn)要求[18-19]。林先松等人[20]利用多軸振動(dòng)臺(tái)架（MAST）進(jìn)行汽車零部件道路載荷模擬試驗(yàn)，通過(guò)作動(dòng)器施加激勵(lì)控制平臺(tái)的六自由度變化，很好地重現(xiàn)道路載荷，結(jié)果表明多軸振動(dòng)臺(tái)架可以代替道路耐久試驗(yàn)，為新車型開發(fā)提供可靠的試驗(yàn)方法。

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)件以及新研發(fā)的零部件臺(tái)架試驗(yàn)方案需要進(jìn)行開發(fā)性設(shè)計(jì)，根據(jù)零部件實(shí)際道路運(yùn)行工況以及易失穩(wěn)點(diǎn)，綜合考慮臺(tái)架控制系統(tǒng)、模具設(shè)計(jì)等各方面因素自主搭建相應(yīng)的試驗(yàn)臺(tái)架。如王靈龍等[21]利用線性作動(dòng)器、方箱、鹽霧盒搭建一個(gè)單軸耦合的試驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示，將采集到的室內(nèi)整車道路模擬輸出轉(zhuǎn)換為軸向力施加到控制臂上，利用鹽霧盒來(lái)模擬鹽霧腐蝕條件下的汽車控制臂耐久性試驗(yàn)，較好地復(fù)現(xiàn)了控制臂在整車上的工況，與樣品失效情況基本一致。于佳偉等人[22]通過(guò)搭建雙通道的車輛前副車架服役載荷模擬試驗(yàn)臺(tái)架將實(shí)際道路載荷譜施加到車架的穩(wěn)定桿兩端，實(shí)現(xiàn)某轎車前副車架的加速耐久性試驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)加速譜偽損傷保留比例會(huì)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

圖5 鹽霧腐蝕條件下的汽車控制臂耐久性試驗(yàn)[21]

Ledesma R.等人[23]研究了商用車懸架系統(tǒng)的多軸加速耐久性性能，搭建了一個(gè)多軸耦合試驗(yàn)臺(tái)架，如圖6所示，利用MTS的RPC軟件實(shí)現(xiàn)懸架系統(tǒng)的多軸迭代試驗(yàn)。結(jié)果表明懸架系統(tǒng)的耐久性臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際使用的結(jié)果相吻合。

圖6 懸架系統(tǒng)多軸耐久性性能臺(tái)架試驗(yàn)[23]

3 虛擬仿真技術(shù)在汽車零部件可靠性測(cè)評(píng)中的應(yīng)用

近年來(lái)虛擬仿真技術(shù)憑借其較小的試驗(yàn)周期，低廉的研發(fā)成本，逐步由試驗(yàn)場(chǎng)道路試驗(yàn)的輔助驗(yàn)證角色成為受車輛生產(chǎn)廠家和研究高校青睞的車輛可靠性測(cè)評(píng)方法。該方法通過(guò)在整車或者零部件的多體動(dòng)力模型上施加與其工作環(huán)境相同的載荷，依據(jù)相應(yīng)疲勞失效準(zhǔn)則進(jìn)行應(yīng)力仿真分析，得出產(chǎn)品失效時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果，找出潛在缺陷和薄弱環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高產(chǎn)品可靠性[2]。

王霄鋒等[24]搭建轎車前懸架多軸向加載模擬疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)，可向前懸架施加垂向力、側(cè)向力、縱向力和制動(dòng)力作用，隨后分別向轎車前懸架臺(tái)架模型加載高速公路、石塊路等路面的實(shí)測(cè)載荷譜，得出與實(shí)車道路試驗(yàn)類似的試驗(yàn)結(jié)果。王長(zhǎng)明等[25]搭建多連桿后懸架系統(tǒng)多體動(dòng)力學(xué)虛擬臺(tái)架模型，如圖7所示，分別進(jìn)行垂向、縱向和多軸向方向加載試驗(yàn)，結(jié)果表明虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂休^好的精度，其分析結(jié)果可為懸架系統(tǒng)疲勞壽命分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。董智超等[26]建立微型客車懸架系統(tǒng)多軸向加載的動(dòng)態(tài)有限元模型，可施加垂直側(cè)向縱向和制動(dòng)4軸向載荷，通過(guò)有限元仿真計(jì)算出整個(gè)懸架總成系統(tǒng)脆弱部位的疲勞損傷，對(duì)其疲勞危險(xiǎn)點(diǎn)的具體位置進(jìn)行標(biāo)定預(yù)警，大幅縮減了研發(fā)周期。曹正林等[27]運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)建立整車試車場(chǎng)柔性仿真模型，施加轎車試車場(chǎng)強(qiáng)化路面試驗(yàn)條件下的道路載荷譜，與實(shí)車道路測(cè)試結(jié)果相對(duì)比證明虛擬試車場(chǎng)技術(shù)可有效地仿真多種路面工況下轎車懸架系統(tǒng)的應(yīng)力-時(shí)間響應(yīng)。

圖7 后懸架總成虛擬臺(tái)架模型[25]

4 結(jié)論與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，汽車零部件可靠性測(cè)評(píng)技術(shù)正不斷深化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者與工程師從實(shí)地道路譜載荷的加速編輯到室內(nèi)疲勞耐久性試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)以及虛擬仿真技術(shù)等多個(gè)方面對(duì)汽車零部件可靠性測(cè)評(píng)技術(shù)進(jìn)行深入研究。從目前所述的研究現(xiàn)狀來(lái)看，未來(lái)汽車零部件可靠性測(cè)評(píng)技術(shù)的發(fā)展方向主要有以下幾點(diǎn)：

（1）進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)際工況下的道路載荷譜加速編輯方法。耦合多種優(yōu)化算法對(duì)載荷譜進(jìn)行定量、定性編輯，在保證精度的同時(shí)，將原始載荷-時(shí)間歷程壓縮的更多,最終開發(fā)出一套基于最優(yōu)編輯法的汽車零部件疲勞耐久性載荷譜處理軟件，提高編輯效率，降低成本。

（2）推進(jìn)一體化的疲勞耐久性設(shè)計(jì)理念，研發(fā)出將汽車零部件耐久性臺(tái)架試驗(yàn)與虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合的一體化疲勞耐久性分析方法，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)約時(shí)間和成本，提高企業(yè)效益。

（3）隨著車輛電動(dòng)化、智能化方向發(fā)展迅猛，針對(duì)新形勢(shì)下的汽車電子電器零部件失效問(wèn)題的檢測(cè)與相應(yīng)法規(guī)的完善將成為新的研究方向。車輛零部件可靠性的研究重點(diǎn)應(yīng)逐漸由硬件可靠性設(shè)計(jì)與檢驗(yàn)轉(zhuǎn)移到電子器件的可靠性上來(lái)。