汽車在行駛時不斷受到由于路面不平而引起的路面沖擊載荷，同時還受到轉(zhuǎn)向側(cè)向力、驅(qū)動力和制動力等的作用。這些力一般都隨著時間發(fā)生變化。另外，汽車發(fā)動機(jī)本身也是一個振動源。因此汽車在行駛中處于一個相當(dāng)復(fù)雜的振動環(huán)境中，其各個零部件都會受到隨著時間發(fā)生變化的應(yīng)力、應(yīng)變的作用。經(jīng)過一定的工作時間，一些零部件便會發(fā)生疲勞損壞，出現(xiàn)裂紋或斷裂。

據(jù)統(tǒng)計，汽車90%以上的零部件損壞都屬于疲勞損壞。從汽車誕生的那一天起，疲勞耐久就是整車的重要性能。早期的汽車廠家甚至經(jīng)常采用長距離耐力賽的形式來宣傳自己的產(chǎn)品具有高度的可靠性和耐久性。比如凱迪拉克就曾通過在英國參加爬山賽事和1000英里耐力賽來打響自己的名聲。

本主題系列文將簡單介紹一下汽車行業(yè)中常用的結(jié)構(gòu)件疲勞耐久仿真方法和一些相關(guān)的理論。主要內(nèi)容包括：1，可靠性基礎(chǔ)理論；2，金屬疲勞理論；3，常見子系統(tǒng)和零件的結(jié)構(gòu)疲勞耐久分析方法。

可靠性理論
在談疲勞耐久的時候，往往會把可靠性、耐久性、疲勞、壽命這些名詞混為一談。這些概念相互聯(lián)系又有區(qū)別。

簡單來說，耐久性可以定義為“持久的能力”，或者是產(chǎn)品保持其購買時狀態(tài)的時間；汽車耐久性定義為“汽車保持其質(zhì)量和功能的使用時間”。在規(guī)定使用條件下和規(guī)定時間周期內(nèi)，用戶不必對耐久性產(chǎn)品進(jìn)行修理或者更換。在汽車產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段，結(jié)構(gòu)耐久性不僅是設(shè)計所關(guān)心的，同時也是用戶希望得到評估的內(nèi)容。一般來說，產(chǎn)品投放到市場之前，其產(chǎn)品均要求滿足相應(yīng)的耐久性指標(biāo)。

對汽車企業(yè)來說，整車需要滿足的耐久性最低標(biāo)準(zhǔn)通?？梢远x為XX年的功能壽命和XX萬Km。為了達(dá)到整車的耐久性指標(biāo)，就需要整車、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和零件滿足各自的要求；將汽車耐久性指標(biāo)從上至下一直到分解到子系統(tǒng)/零件級；對于車身和底盤，一般要求“在整車耐久性試驗完成前，不應(yīng)出現(xiàn)失效”。

而疲勞是指試件或構(gòu)件材料在交變應(yīng)力與交變應(yīng)變的作用下，裂紋萌生、擴(kuò)展，直到小片脫落或斷裂的過程稱為疲勞。構(gòu)件因發(fā)生疲勞破損而喪失正常工作性能的現(xiàn)象稱為疲勞失效。通常，與疲勞相比，汽車耐久性的含義更為廣泛，有時兩者在概念上又不加以嚴(yán)格區(qū)別。下圖就是半軸和離合器發(fā)生疲勞失效的圖片。



而可靠性的定義是在規(guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)產(chǎn)品可能完成規(guī)定功能（可靠的/存活），可能完不成規(guī)定功能（不可靠的/失效），因此：可靠度是產(chǎn)品在規(guī)定條件，規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。定義產(chǎn)品可靠性主要有下面三個因素：

• 規(guī)定條件，比如載荷、溫度、壓力、振動/沖擊等
• 規(guī)定時間，比如時間、里程、循環(huán)次數(shù)等壽命描述
• 規(guī)定功能，比如裂紋產(chǎn)生、裂紋擴(kuò)展長度、功能衰退/喪失等

根據(jù)系統(tǒng)可靠性理論，對于整車來說，對整車、系統(tǒng)、子系統(tǒng)和部件的可靠性要求是從低到高逐級提升的。

對于整車，壽命的定義一般是指B10壽命。因為汽車和零部件的失效壽命是個隨機(jī)變量，具有統(tǒng)計 性質(zhì)，一般而言，符合2參數(shù)Weibel分布或者高斯分布。



零件的材料、加工工藝，整車的裝配過程，車輛的使用過程、行駛狀況等隨機(jī)因素都與疲勞壽命相關(guān)。而B10壽命指的是汽車零部件達(dá)到這個壽命時發(fā)生失效的概率是10%，或者說可靠度是90%。比如某輛車的設(shè)計壽命是16萬公里，有一萬臺轉(zhuǎn)向機(jī)投入使用，在達(dá)到16萬公里的行駛壽命時，共有1000臺轉(zhuǎn)向機(jī)發(fā)生失效，而9000臺還可以正常使用，那么這個轉(zhuǎn)向機(jī)的B10壽命就是16萬公里。

定義好了這樣一個目標(biāo)，就可以在設(shè)計零件時根據(jù)基于可靠性的應(yīng)力-強(qiáng)度干涉理論來估計產(chǎn)品的可靠性。既避免欠缺設(shè)計，又避免過設(shè)計。



下圖就是典型的制定零件設(shè)計目標(biāo)的過程。通過概率計算，將零件設(shè)計目標(biāo)制定為25萬英里時可以滿足10萬英里的壽命目標(biāo)。