車輛疲勞耐久性分析及其優(yōu)化技術(shù)研究

趙成剛　屈凡

摘 要：車輛在人們的生活、生產(chǎn)中占據(jù)的地位日益重要，其在運行過程中會受到各種因素的影響，進而降低了其使用效率和服務(wù)年限，因此，必須做好車輛零部件的維護管理工作。就車輛運行的實際情況看，大部分關(guān)鍵零部件的失效都是因疲勞使用而導(dǎo)致的，疲勞耐久性是衡量車輛產(chǎn)品性能的主要指標之一，在很大程度上代表了車輛的安全性、經(jīng)濟性和可靠性現(xiàn)狀。對車輛的耐久性進行了分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞：疲勞耐久性；優(yōu)化措施；循環(huán)荷載；EIFS分布

中圖分類號：U467 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.017

現(xiàn)代車輛的結(jié)構(gòu)逐漸向高速化和載重化的方向發(fā)展，為了保證車輛運行的安全性和穩(wěn)定性，就要對車輛結(jié)構(gòu)和各零部件有更為嚴格的要求。疲勞耐久性是衡量車輛零部件和結(jié)構(gòu)性能的主要指標之一，可直接反映車輛的運行狀態(tài)。但就車輛疲勞耐久性研究的現(xiàn)狀來看，還存在一定的不足。因此，為了提高對車輛疲勞耐久性研究的效果，需要對現(xiàn)存的不足進行分析，并選擇有效的優(yōu)化措施，爭取不斷提高車輛的運行效率。

1 車輛耐久性疲勞分析

耐久性即產(chǎn)品在規(guī)定使用和維修的條件下，達到極限狀態(tài)前完成規(guī)定功能的能力，從本質(zhì)上看，即產(chǎn)品在達到服務(wù)年限前，可維持正常狀態(tài)的時間。對于車輛而言，經(jīng)常會將汽車或零部件可以行駛一定里程而不發(fā)生故障作為衡量車輛耐久性的重要指標。但在車輛長時間運行的過程中，各零部件和構(gòu)件會受到循環(huán)荷載的影響，造成結(jié)構(gòu)部分發(fā)生永久性結(jié)構(gòu)變化，并在多次循環(huán)后形成裂紋或斷裂，這種情況稱為耐久性疲勞。一旦車輛結(jié)構(gòu)或零部件出現(xiàn)耐久性疲勞，則直接影響車輛運行的穩(wěn)定性和安全性。對于車輛的耐久性疲勞而言，其產(chǎn)生的主要原因是循環(huán)荷載作用，與疲勞損壞還有一定的距離，且一旦發(fā)生疲勞斷裂，則會導(dǎo)致車輛結(jié)構(gòu)產(chǎn)生宏觀塑性變形。

2 車輛耐久性分析方法

2.1 分析對象

車輛耐久性分析的對象為疲勞壽命與強度有重要聯(lián)系的重要零部件，并基于結(jié)構(gòu)損傷度和可靠度進行詳細分析，最終判斷其使用壽命。在對車輛進行耐久性分析時，可將整個車輛機械結(jié)構(gòu)或一部分作為研究對象，比如圓角、緊固孔和焊接件等，尤其是應(yīng)力水平高且應(yīng)力水平集中的部位。

2.2 材料參數(shù)

材料參數(shù)的分析對象包括斷裂韌性、EIFS分布和表面粗糙系數(shù)等。在研究時，基本上以概率斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)，并通過試驗的手段得到相應(yīng)數(shù)據(jù)。其中，對于普通材料而言，可直接在相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中搜尋相應(yīng)的參數(shù)信息，比如尺寸系數(shù)、斷裂韌性和表面粗糙度系數(shù)等。

2.3 使用期斷裂紋擴展控制曲線

對于給定應(yīng)力區(qū)，隨著時間t的變化，對細節(jié)描述的當量缺陷尺寸也會發(fā)生變化，且車輛的應(yīng)力區(qū)不同，裂紋的擴展率也不同。在對車輛耐久性進行分析時，為了提高預(yù)測裂紋超越數(shù)概率的可靠性，可以結(jié)合使用期裂紋擴展控制曲線與EIFS分布，導(dǎo)出EIFS控制曲線所用的裂紋擴展方式形式一致，則使用期裂紋擴展率為：

da/dN=Qia. （1）

式（1）中：a為裂紋長度；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Qia為使用期裂紋擴展率。

控制曲線為：

yTi（t）=arexp（-Qit）. （2）

式（2）中：yTi為當量初始缺陷尺寸；ar為試驗常數(shù)；Qi為裂紋擴展參數(shù)。

2.4 裂紋超越數(shù)

給定應(yīng)力區(qū)i裂紋超越數(shù)即在指定時間t內(nèi)該應(yīng)力區(qū)i結(jié)構(gòu)細節(jié)群中裂紋尺寸超過ar的細節(jié)數(shù)量，用N（i，t）表示，并作為一個離散型隨機變量，且會隨著時間t的變化而變化。假設(shè)應(yīng)力區(qū)每個細節(jié)相對小裂紋尺寸擴展相互獨立，則每個細節(jié)在時間t時，裂紋尺寸可達到ar的概率為p（i，t）。如果確定應(yīng)力區(qū)i中所含細節(jié)數(shù)為Ni，則在時間t時的裂紋尺寸超過ar的細節(jié)數(shù)為N（i，t），服從參數(shù)為Ni與p（i，t）二項式分布，則平均裂紋超越數(shù)為：

N（i，t）=Nip（i，t）. （3）

式（3）中：N（i，t）為時間t內(nèi)裂紋尺寸超過ar的細節(jié)數(shù)；Nip（i，t）為平均裂紋超越數(shù)。

標準差為：

σN（i，t）={Nip（i，t）[1-p（i，t）]}1/2. （4）

在對車輛耐久性進行分析時，則其結(jié)構(gòu)指定細節(jié)群會包含多個應(yīng)力區(qū)，可用L（t）表示結(jié)構(gòu)細節(jié)群中裂紋尺寸超過ar的細節(jié)數(shù)量，且會隨著時間t的變化而變化。如果每個應(yīng)力區(qū)的細節(jié)數(shù)N都比較大時，N（i，t）所對應(yīng)的二項式分布依據(jù)中心極限定理趨近于數(shù)學(xué)期望N（i，t）和方差σN2（i，t）正態(tài)分布，則近似有N（i，t）～N[N（i，t），σN2（i，t）]，則細節(jié)群裂紋超越數(shù)為：

. （5）

式（5）中：L（t）為正態(tài)變量。

則細節(jié)群平均裂紋超越 和標準差σL（i）表示為：

. （6）

. （7）

3 基于CAE技術(shù)的車輛疲勞耐久性分析

3.1 建立多體動力學(xué)模型

建立多體動力學(xué)模型時，應(yīng)利用整車和零部件參數(shù)建立總成系統(tǒng)，以完成運動學(xué)個動力學(xué)虛擬實驗，主要包括汽車操縱的穩(wěn)定性、安全性和平順性等性能的精確模擬和計算。整個ADAMS/CAR建模過程為自下而上，逐次完成各個模板的建立，再由相應(yīng)的模板生成子系統(tǒng)，最終由每個子系統(tǒng)組裝成整個車的模型。其中，子系統(tǒng)是以模板為基礎(chǔ)建立的，由多個零件組合而成，主要包括設(shè)計參數(shù)、模板文件和引用屬性文件等多方面的說明。整車建模需要對部分零部件進行簡化處理，比如將車身看作為剛體，利用車身質(zhì)心位置處的質(zhì)量點建模。

3.2 車輛零部件動應(yīng)力計算

應(yīng)用瞬態(tài)響應(yīng)動力學(xué)分析法分析，在獲取零部件接連點位置的荷載譜后，對零部件各點應(yīng)力譜進行瞬態(tài)動力學(xué)分析，公式為：

Mu'+Cu''+Ku=F（t）. （8）

式（8）中：M為質(zhì)量矩陣；u'為節(jié)點加速度向量；C為阻尼矩陣；u''為節(jié)點速度向量；K為剛度矩陣；u為節(jié)點位移向量；F（t）為荷載時間歷程。

可選擇此類分析方法對車輛零部件動應(yīng)力進行計算，相對有效的求解方法有振型疊加法和直接法。其中，如果實際荷載信號比較長，且有限元模型比較復(fù)雜，則零部件動應(yīng)力響應(yīng)計算難度較大，所需時間更長，因此，為了在有效時間內(nèi)取得準確性高的結(jié)果，應(yīng)選擇用振型疊加法。

3.3 車輛零部件動態(tài)荷載分析

車輛零部件動態(tài)荷載分析分為以下2部分：①試驗法。對檢測車輛安裝傳感器進行路面試驗，以獲得零部件的載荷時間歷程。整個系統(tǒng)中所需的數(shù)據(jù)采集工具有六分力傳感器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和應(yīng)變片等。此種方法是一種最直接獲取載荷的方式，車輛在實際路面行駛過程中即可獲取其載荷時間歷程，為汽車零部件疲勞壽命分析的精確度提供了有力的保證。②多體動力學(xué)分析。采用ADAMS軟件自帶的路面模型為分析中的激勵，獲取零部件接連點疲勞分析荷載信號。該方法操作方便，可有效降低檢測成本，但最終結(jié)果會受到實際路面情況和整車模型等因素的影響。

4 近似模型結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化技術(shù)分析

采用近似模型對車輛抗疲勞優(yōu)化技術(shù)進行分析，主要是利用統(tǒng)計方法和數(shù)學(xué)建模為基礎(chǔ)，以顯式表達方式實現(xiàn)模型的優(yōu)化，可有效提高計算速度，降低結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中計算復(fù)雜等問題。在完成參數(shù)化建模后，可以通過實驗設(shè)計獲取每個設(shè)計組合的樣本點，并計算各樣本點對應(yīng)的函數(shù)值，從而完成相似模型的建立。

參數(shù)模型的建立通過變量代替原始模型中的屬性，保證整個有限元模型成為帶有一系列設(shè)計變量的參數(shù)化模型。同時，可對模型結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用可對有限元模型中的設(shè)計變量進行調(diào)整，對設(shè)計方案進行反復(fù)驗算，保證所有優(yōu)化目標的約束條件可達到預(yù)定要求，從而達到提高計算速度、降低計算成本的目的。而近似模型的建立可以利用DOE樣本點和響應(yīng)值完成，從而確定設(shè)計變量與響應(yīng)值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上利用優(yōu)化算法進行快捷優(yōu)化。選擇此種方法處理，可有效減少計算誤差，且可代替高強度仿真計算，提高結(jié)算的綜合效率。近似模型包括最小二乘響應(yīng)面模型、移動最小二乘響應(yīng)模型等。目前，模型方法在車輛疲勞耐久性優(yōu)化中的應(yīng)用越來越廣泛，且隨著近似模型的不斷優(yōu)化，取得的效果也越來越明顯。

5 結(jié)束語

通過車輛疲勞耐久性分析可更好地了解車輛機械結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)，從而采取有效的優(yōu)化措施，不斷提高車輛運行的安全性和穩(wěn)定性。因此，應(yīng)結(jié)合實際需求，對存在的不足進行研究，爭取提高耐久性分析的有效性，確保車輛運行效率的不斷提高。

參考文獻

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〔編輯：張思楠〕