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汽車試驗：汽車疲勞損傷理論及臺架耐久介紹
2020-11-03 23:01:06· 來源：天津汽車研究所 作者：李建澎
汽車耐久性作為車輛產(chǎn)品主要性能指標之一，直接影響車輛的安全性、可靠性。實際道路試驗、試驗場試驗、臺架試驗是耐久試驗的主要考核方法。臺架試驗由于試驗周期
汽車耐久性作為車輛產(chǎn)品主要性能指標之一，直接影響車輛的安全性、可靠性。實際道路試驗、試驗場試驗、臺架試驗是耐久試驗的主要考核方法。臺架試驗由于試驗周期短、成本較低的優(yōu)勢，越來越受到車企的重視。在此，主要對結構件臺架耐久試驗和相關疲勞理論做簡單介紹。
汽車在行駛時，會受到隨時間變化的動態(tài)隨機載荷。在載荷的作用下，汽車的許多零部件會引起疲勞損傷，破壞形式通常是疲勞斷裂。
1.S-N曲線
疲勞問題最早在19世紀初提出。德國工程師Wöhler通過對疲勞損傷問題進行系統(tǒng)的研究，提出了疲勞壽命與循環(huán)應力的關系，并確定應力幅是疲勞破壞的決定因素。在1871年，他提出了利用應力-壽命（S-N）曲線來分析疲勞問題的方法，為工程結構疲勞的研究奠定了理論基礎。
Wöhler
零件的疲勞損傷是一個復雜的過程。通?？梢苑譃槿齻€階段：
· 裂紋初始；
· 裂紋擴展；
· 斷裂失效。
對于外形和材料分布比較均勻的零部件來說，局部變形通常是從表面應力集中區(qū)域開始。隨著加載循環(huán)次數(shù)的增加，零件的裂紋長度隨之增加。達到一定循環(huán)次數(shù)之后，裂紋將導致零件失效。
金屬材料通常存在一個臨界的最大應力，低于此應力進行循環(huán)加載時，材料永遠不會發(fā)生破壞，這個應力稱為疲勞極限，也稱疲勞強度。當載荷大于疲勞極限時，材料會出現(xiàn)疲勞破壞。疲勞試驗采用循環(huán)周期載荷進行加載，用不同的載荷或應力幅值與其對應的失效次數(shù)來表達，這就是S-N曲線。
S-N曲線
由圖可知，在曲線上點應力S越小，試驗的次數(shù)越多，也就是材料的疲勞壽命越長；當輸入的載荷產(chǎn)生的應力小到一個特定值時，壽命N趨于無窮大，應力S的極限值Sf，稱為材料的疲勞極限。在疲勞極限以下，載荷周期即使很長也不會引起零部件失效。
2.循環(huán)計數(shù)法
在工程實際中，為了便于疲勞可靠性分析，需要對隨機載荷進行分析和描述，將隨機載荷的時間歷程轉化成為一系列循環(huán)的方法，稱為“循環(huán)計數(shù)法”。計數(shù)法可以分為單參數(shù)循環(huán)計數(shù)法和雙參數(shù)循環(huán)計數(shù)法兩大類。
單參數(shù)循環(huán)計數(shù)法主要有波峰-波谷、幅度穿越和區(qū)間計數(shù)等方法，使用較少，更常用的是雙參數(shù)計數(shù)法。
屬于雙參數(shù)計數(shù)法的主要有雨流計數(shù)法、變程-對均值計數(shù)法等，其中雨流計數(shù)法在疲勞壽命分析和疲勞設計、試驗中應用最為廣泛，最終得到的疲勞分析精確度也較高。
1968年，松石（Matsuishi）和恩杜（Endo）通過模擬雨滴落到塔頂和從塔頂邊緣落下的過程，最早提出了雨流計數(shù)法。雨流計數(shù)法適用于以典型載荷譜段為基礎的重復歷程。
雨流計數(shù)法
3.Miner準則
疲勞損傷理論可歸結為兩個大類：線性損傷理論和非線性損傷理論。其中線性損失理論主要是Miner準則、修正Miner 法則及相對Miner法則，非線性損傷累積理論主要有Manson 雙線性累積理論、Corten-Dolan理論等。其中，Miner準則最為簡單和應用最為廣泛。在此對Miner準則及其相關理論做一個詳細介紹。
線性累積損傷理論是當前預測疲勞壽命的重要工具。假設車輛在某段實際運行載荷中，某載荷幅值出現(xiàn)的次數(shù)為n1，其零件S-N曲線中，同載荷幅值對應的循環(huán)次數(shù)為N1，則這段運行信號中這種載荷對零件的損傷D= n1/N1。以此為基礎，零件在應力水平Si下作用ni次循環(huán)下的損傷為Di=ni/Ni，若在k個應力水平Si作用下，各經(jīng)受ni次循環(huán)，則可定義其總損傷為：
線性累計損傷
當D=1，即損傷值進行相加求和等于1時，就可認為零部件出現(xiàn)了失效。
4.臺架耐久試驗
最常見的臺架耐久試驗是固定幅值加載。通過工裝夾具將試驗樣件與作動器連接，以正弦波的載荷形式對試件施加固定次數(shù)的循環(huán)載荷，或直至試件破壞。
底盤件臺架耐久試驗
隨著試驗方法的不斷進步，逐漸發(fā)展出一種加速試驗方法——多級載荷輸入（BlockCycle Loading）。它的基本思路是首先去除小的載荷信號，然后對載荷范圍進行分級統(tǒng)計，并且用近似材料屬性進行損傷估計，利用前3～4級載荷范圍和次數(shù)確定多級載荷的范圍和次數(shù)。再利用前面用過的材料屬性計算此多級載荷的損傷，并根據(jù)前后損傷的比值對多級載荷譜的長度進行增減。具體流程如下圖所示：
原始載荷譜刪除小載荷分級統(tǒng)計
生成多級載荷譜統(tǒng)計圖數(shù)據(jù)
不論固定幅值加載還是多級載荷輸入，都不考慮頻率信息，適合對單一零部件進行單軸加載。如果要對總成和整車進行疲勞耐久考核，通常使用多軸輸入的試驗臺架。常用的有四通道道路模擬試驗臺、整車24通道道路模擬試驗臺和多軸振動臺(MAST。
四通道道路模擬試驗臺也稱為四立柱，通過四個垂向作動器進行載荷輸入，運用道路模擬試驗技術真實模擬再現(xiàn)整車道路行駛工況和路面特征?？梢匀婵己塑嚿?、內(nèi)外飾、電子電氣、動力總成等系統(tǒng)結構的耐久性能，并能夠快速而全面的發(fā)現(xiàn)整車各類異響干涉問題，極大提高整車可靠性開發(fā)效率和速度。
四通道道路模擬試驗臺
整車24通道道路模擬試驗臺同樣運用道路模擬試驗技術，采用軸耦合的形式，為試驗車同時提供6個自由度（垂直、水平、側向、外傾、轉向、制動）的輸入，實現(xiàn)試車場道路載荷的力和位移模擬驅動，復現(xiàn)各種試車場路面、駕駛操縱事件，可達到原道路90%以上的損傷值。整車24通道試驗臺可針對整車底盤和車身結構件進行較為快速、全面的考核，在整車耐久試驗的應用中越來越普遍。
整車24通道道路模擬試驗臺
多軸振動臺（MAST）適用于動力總成懸置系統(tǒng)、儀表臺、座椅、散熱器等的耐久試驗，通過復現(xiàn)被測系統(tǒng)在試驗場的位移或加速度信號完成考核。它包含一個振動臺面和若干作動器，可實現(xiàn)臺面六個自由度的運動。例如座椅試驗，首先采集座椅在車輛實際運行狀態(tài)下的各向加速度信號，然后將這些加速度信號作為目標在試驗臺上迭代重現(xiàn)，從而完成耐久考核。
多軸振動臺
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