汽車車橋的失效機理與可靠性分析

摘 要：產(chǎn)品的可靠性對于企業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要。汽車車橋作為汽車的一個重要組成部分，對于汽車的整體質(zhì)量以及安全性有難以估計的影響。本文在分析汽車車橋失效機理的基礎(chǔ)上，對汽車車橋結(jié)構(gòu)的可靠性進行分析，希望能夠味汽車可靠性的研究提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：汽車車橋；失效機理；可靠性

從當(dāng)前形勢來看，隨著科技的不斷進步，消費者對產(chǎn)品的質(zhì)量提出更高的要求，可靠性開始成為產(chǎn)品設(shè)計過程中一個備受關(guān)注的因素。在中國的汽車企業(yè)中，企業(yè)的管理者已經(jīng)充分認(rèn)識到了產(chǎn)品的可靠性對推動企業(yè)發(fā)展的重要作用。汽車的設(shè)計者在設(shè)計汽車的過程中，已經(jīng)將汽車的可靠性視為衡量汽車整體質(zhì)量的核心指標(biāo)。從汽車的結(jié)構(gòu)上看，車橋是汽車構(gòu)造的關(guān)鍵部件，整車的安全性極大地依賴于車橋的強度。

一、汽車車橋的失效機理

總體來說，機械結(jié)構(gòu)的可靠性主要有兩點要求：第一，這種可靠性設(shè)計能夠滿足機械整體的設(shè)計要求；第二，機械結(jié)構(gòu)的可靠性具有一定的穩(wěn)定性，不會因外界因素的改變而改變。然而，從實際情況來看，機械結(jié)構(gòu)的可靠性受到諸多因素的影響，常常因為外在因素的改變而發(fā)生較大變化。機械結(jié)構(gòu)的可靠性常常受到這些因素的不同影響，發(fā)生質(zhì)或量的改變。當(dāng)前，出于提高效益、降低成本的考慮，有必要對不同因素對機械結(jié)構(gòu)可靠性影響的性質(zhì)以和具體程度進行深入系統(tǒng)的探究，對機械結(jié)構(gòu)的可靠性靈敏度進行客觀、精準(zhǔn)地測量。

國外的一些汽車品牌歷經(jīng)了上百年的發(fā)展，已經(jīng)具備了相當(dāng)?shù)目煽啃?。與之相比，當(dāng)前國內(nèi)汽車產(chǎn)品的可靠性一時間還無法讓人信服。目前，在全球化的大背景下，中國的汽車產(chǎn)品理應(yīng)向國外看齊，不斷學(xué)習(xí)，吸收國外寶貴經(jīng)驗，爭取早日達(dá)到世界先進水平。要實現(xiàn)這一目標(biāo)就要圍繞機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不斷提高汽車產(chǎn)品的可靠性。事實上，能夠?qū)ζ嚠a(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生影響的有很多元素，其中最為關(guān)鍵的一個就是汽車產(chǎn)品的設(shè)計。而從汽車的結(jié)構(gòu)上看，車橋是汽車構(gòu)造的關(guān)鍵部件，整車的安全性極大地依賴于車橋的強度。目前，已經(jīng)有不少汽車產(chǎn)品企業(yè)對汽車產(chǎn)品開展了結(jié)構(gòu)可靠性靈敏度的分析與研究，其研究的重點在分析模型中不同變量在發(fā)生改變的情況下對失效概率的影響，發(fā)現(xiàn)其中存在的規(guī)律。如果汽車零部件失效和某一某參數(shù)之間存在著較大的關(guān)聯(lián)，那么汽車產(chǎn)品的設(shè)計者在進行設(shè)計時就要對該參數(shù)嚴(yán)格把關(guān)，盡量使誘導(dǎo)其發(fā)生變化的因素降到最低，確保汽車零部件具備強大的可靠性。在另外一種情況下，如果汽車零部件失效和某一某參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性較低，那么汽車產(chǎn)品的設(shè)計者在進行可靠性設(shè)計時，就可將其視為確定量值。這樣，隨機變量的數(shù)量得到了極大的降低，設(shè)計者可以將設(shè)計的重點放在那些已獲知的隨機變量上。鑒于這種可靠性分析起來十分復(fù)雜，非人力可以完成，因此分析過程常常借助相關(guān)分析軟件來完成，不僅提高了分析的效率，而且使分析結(jié)果更加客觀。

二、車橋的結(jié)構(gòu)可靠性分析

（一）NESSUS 軟件

NESSUS 軟件的分析對象是機械系統(tǒng)及其零件在某一參數(shù)下的發(fā)生概率。該軟件依托于通用數(shù)字分析方法和當(dāng)前最先進的概率算法，對工程系統(tǒng)的可靠性進行分析與計算。其優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，它能夠?qū)Σ牧咸匦院统跏紬l件等進行模擬，策略邊界條件的隨機性；第二，它能夠為機械產(chǎn)品的設(shè)計者提供強大、穩(wěn)定的建模，并且依托可視化界面對數(shù)以萬計的工程問題進行測算；第三，該軟件采用了當(dāng)前該領(lǐng)域最新、最先進的概率計算方法，能夠解決一切工程應(yīng)用問題，如結(jié)構(gòu)可靠性計算等。

（二）NESSUS 的概率分析方法

當(dāng)前，NESSUS一共采用了16種概率計算方法，如組合法和抽樣法等，這些計算方法又可以被分為三類。這些算法依托較多的隨機變量分布函數(shù)，能夠?qū)こ滔到y(tǒng)的可靠性和概率響應(yīng)進行深度系統(tǒng)的分析。這樣，根據(jù)分析結(jié)果，機械和工程的設(shè)計者能夠?qū)Ω鲄?shù)產(chǎn)生誤差的情況進行有效把控，降低各參數(shù)發(fā)生誤差的可能性，從材料的選取到具體產(chǎn)品的制造過程入手，努力提高機械和工程的可靠性，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計的終極目標(biāo)。事實上，當(dāng)前使用最多的方法就是近似算法，該種算法在FPI，即快速概率積分的理論框架下設(shè)計而成，極大地提高了計算的效率。

三、汽車車橋的可靠性分析

（一）后橋結(jié)構(gòu)的可靠性分析

該后橋的輸入的參數(shù)為彈簧座滿軸載荷 PMAX，彈性模量EX，泊松比PRXY，材料密度DEN，材料的屈服強度YIES。根據(jù)應(yīng)力-強度干涉模型，輸入極限狀態(tài)方程：

Z = YIES/SMAX-1 （1）

SMAX = FE（PMAX， EX， PRXY， DENSITY） （2）

因為這一方法方程為線性，且多數(shù)隨機變量都呈正態(tài)分布，因此在NESSUS中的分析方法頁中首選MV這一方法，與此同時將信度設(shè)為95%，繼而定義NESSUS 的概率分析參數(shù)，并按照選定的概率計算方法求出結(jié)構(gòu)運算點，對最終的結(jié)果進行整理和統(tǒng)計。使用一次可靠性方法（FORM）和二次可靠性方法（SORM）以及改進均值法（AMV）三種方法進行驗證。

（二）前橋結(jié)構(gòu)的可靠性分析

要想計算前橋的可靠性就應(yīng)該針對前橋的不同工況進行相應(yīng)的可靠性分析，繼而按照其靈敏度的計算結(jié)果，全面衡量前橋的可靠性，了解前橋可靠性對個體變量的依賴程度。為了確保機械產(chǎn)品和工程的安全性，在機械承擔(dān)外部加載的條件下，設(shè)計者應(yīng)該使屈服極限而導(dǎo)致的失效概率低于前橋的最大主應(yīng)力。一旦前者高于后者，機械產(chǎn)品或工程就會因為系統(tǒng)失效問題而引發(fā)安全事故。輸入極限狀態(tài)方程：

Z = YIES-SMAX （3）

SMAX = ANSYS（ZMAX， EX， PRXY， DEN） （4）

因為這一方法方程為線性，且多數(shù)隨機變量都呈正態(tài)分布，因此在NESSUS中的分析方法頁中應(yīng)首選MV這一方法，與此同時將信度設(shè)為95%。雖然當(dāng)前MV方法已經(jīng)十分客觀，但是仍然不排除具有計算誤差的可能性，因此應(yīng)合理使用其他方法對計算結(jié)果進行驗算，以確保計算結(jié)果的可靠性。

結(jié)語

汽車車橋的可靠性關(guān)系到汽車的整體質(zhì)量及安全性。本文在分析汽車車橋失效機理的基礎(chǔ)上，運用NESSUS 軟件從后橋和前橋兩方面對汽車車橋的可靠性進行分析研究。希望能夠為其他從業(yè)人員的研究提供一些思路。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳喆，王偉.汽車車橋結(jié)構(gòu)有限元分析[J].機械，2012（12）.

作者簡介：彭顯尚，1991年10月；男；漢；湖南省長沙市；本科；研究方向：機械設(shè)計制造及其自動化（機電一體化）。