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車輛耐久性工程的核心挑戰(zhàn)及應對

2019-02-16 16:38:00·  來源：耐久論壇  作者：李旭東博士  
　
1耐久性與疲勞按照文獻1，耐久性定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。套用這一定義，車輛耐久性指的是車輛在規(guī)定的使用和維修條件下，
1 耐久性與疲勞
 
按照文獻1，耐久性定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。套用這一定義，車輛耐久性指的是車輛在規(guī)定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。而這其中，最重要的一種壽命，是疲勞壽命。
 
疲勞壽命通常分為裂紋起始階段和裂紋擴展階段，如圖1所示。裂紋起始階段包括一些微裂紋擴展，但是疲勞裂紋太小，無法看到（起碼不容易看到）；裂紋擴展階段，疲勞裂紋擴展直到完全斷裂。兩個階段之間沒有一個非常清晰和嚴格的裂紋尺寸來加以分割，如果采用某種無損檢測技術可以比較高檢出率的檢測出某一裂紋，通常就將這一裂紋稱為宏觀可見裂紋，并將其作為劃分裂紋初始階段和裂紋擴展階段的分界線，這里面顯然帶有一些人為因素。
   
圖1 典型的（高周）疲勞斷口2
裂紋擴展階段，其行為用裂紋擴展速率模型和斷裂力學來描述，但是對于沒有采用損傷容限設計的結構（比如說車輛結構）來說，其一旦形成宏觀可見裂紋，可供其擴展直至斷裂的壽命已經(jīng)寥寥無幾。從另一方面說，裂紋起始階段所對應的裂紋形成壽命，往往占到總壽命（從投入使用之初，到最后被干斷的總時長）的90％以上，而用以評估和預測這一部分壽命的理論和方法，就是疲勞理論的核心任務。因此，在本論壇的后續(xù)所有文章之中，如果不加特殊說明，疲勞壽命僅僅單指材料或結構的裂紋形成壽命。
 
2 載荷對于疲勞壽命評估的極端重要性
 
對于幾乎任何一個力學行為進行描述和評估，幾乎都離不開幾何、材料和載荷三要素。家里的桌子夠不夠結實呢？看看桌板夠不夠厚實，桌板越厚越結實，這是幾何方面；看看桌子用什么材料制作的，用不銹鋼或鈦合金做的（如果有這種桌子的話）一定比用塑料、木頭做的桌子來的結實，這是材料方面；桌子上放一個本子或筆，肯定沒事，如果找?guī)讉€胖子在上面蹦蹦跳跳，那不見得撐得住，這是載荷方面的影響。
疲勞作為力學的一個分支，其行為也受這三方面要素的制約，但是，如圖2所示，可以看到，疲勞壽命評估結果對于載荷輸入具有異乎尋常的敏感性。
圖2 疲勞壽命評估結果對載荷波動的強烈敏感性2
 
在（高周）疲勞壽命評估時，需要經(jīng)由材料或結構的SN曲線，由載荷預測壽命。圖2中選擇了一個非常用代表性的金屬結構，代表其疲勞特性的SN曲線反斜率k值為5（常用取值范圍為3~10）。我們可以看到，在這種情況下，如果載荷僅僅上升15％，疲勞壽命就會縮短一半；如果載荷僅僅降低13％，疲勞壽命就會上升為原來的兩倍。
 
金屬結構的（高周）疲勞壽命極其敏感的隨作用在其上的載荷的變化而變化，載荷差之毫厘，（高周）疲勞壽命和損傷謬以千里。這一點，是每一個參與耐久性工程的工作者需要敏感和警覺的事情。
 
3 車輛耐久性工程中的突出矛盾和重大挑戰(zhàn)
 
   現(xiàn)實中，當把一輛轎車或卡車交付給客戶之后，車輛生產(chǎn)商幾乎沒有辦法對于車輛的使用條件進行限定：客戶開著車在什么樣的路面上行駛，無法限定，盡管顯而易見不同路面對于車輛的損耗是完全不同的；客戶以一種什么樣的駕駛習慣和風格去開車，無法限定，可以預知的是不同的駕駛習慣對于車輛的損傷也是有明顯不同的；客戶對于車輛裝上怎樣的負載，哪怕有法律法規(guī)的約束，現(xiàn)實生活中的負載變異性也是非常大的，對于商用車，各種腦洞大開的“開掛”和超載比比皆是。
圖3 到達設計里程時車輛所承受載荷的巨大離散性2
 
我們在上一節(jié)談到并意識到，車輛結構的（高周）疲勞壽命極其敏感的隨作用在其上的載荷的變化而變化；而在現(xiàn)實生活中，由于車輛生產(chǎn)商對于客戶使用車輛的條件幾乎無法做任何有效的限定，因此，車輛在達到設計里程時所承受的載荷是非常離散的一個隨機變量。因此，車輛耐久性工程中的一個突出矛盾、問題和挑戰(zhàn)就凸顯和暴露了出來，這就是：
 
車輛疲勞壽命評估對載荷的高度敏感性，與到達設計里程時車輛所承受載荷的高度離散性之間的矛盾！
 
4 統(tǒng)計學在應對車輛耐久性工程重大挑戰(zhàn)中的重要作用
 
如何應對車輛耐久性工程中的這一突出矛盾與重大挑戰(zhàn)？統(tǒng)計學的重要成果在其中將發(fā)揮極其重要及核心的作用。因此，盡管本論壇的主旨是探討以車輛耐久性為代表的耐久性工程問題，可以想到后面必然會涉及到像疲勞理論、算法等方面的話題，但是，在開壇之初，我們從統(tǒng)計這樣一個角度去切入，充分運用統(tǒng)計學的一些重要成果和理論，去科學、合理的衡量和描述車輛耐久性工程中載荷的變異性，這對于應對上面提到的車輛耐久性工程中的突出矛盾和挑戰(zhàn)，是極其重要的。
 
英國偉大的統(tǒng)計學家，R. A. Fisher爵士在1922年發(fā)表過一篇著名的論文3，把數(shù)理統(tǒng)計學的任務概括為3條：
1）定模型，即確定樣本分布；
2）估計，用樣本估計模型中的未知參數(shù)；
3）抽樣分布。
Fisher爵士高屋建瓴的提出的這三個任務，同樣也是車輛耐久性工程中載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理所面臨的三個問題和任務，因此接下來，論壇將相繼刊載三篇文章，分別討論這三個統(tǒng)計學的關鍵任務、相關重要成果和結論，和對于車輛耐久性工程載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的應用。
 
參考文獻
1. GJB451-90，可靠性維修術語.
2. 來源于西門子工業(yè)軟件有限公司內(nèi)部資料.
3.R.A. Fisher, On the mathematical foundations of theoretical statistics, 1922.
附錄：R.A.Fisher（1890～1962），英國統(tǒng)計與遺傳學家，現(xiàn)代統(tǒng)計科學的奠基人之一。
作者簡介
李旭東，2003年畢業(yè)于大連理工大學機械工程學院，獲工學學士學位；2008年畢業(yè)于北京大學力學系固體力學專業(yè)，獲理學博士學位。2008年至2014年，就職于中國航空綜合技術研究所，歷任工程師、高級工程師；2015年至今，就職于西門子工業(yè)軟件（北京）有限公司，任職耐久性應用工程師。長期專注于（金屬）材料和結構耐久性和損傷容限分析方法研究。 
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