鋁質(zhì)車(chē)體疲勞壽命預(yù)測(cè)與評(píng)估

陸圣青，張敬師，馬家文，詹長(zhǎng)書(shū)

(1.比亞迪機(jī)電設(shè)備有限公司，廣東 深圳 518118；2.東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結(jié)構(gòu)輕量化和耐久性設(shè)計(jì)一直是車(chē)輛設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。當(dāng)車(chē)體采用鋁合金材料時(shí)，可以大幅降低整車(chē)質(zhì)量，同等條件鋁質(zhì)車(chē)體大約是普通鋼質(zhì)車(chē)體的30%～35%[1]。結(jié)構(gòu)疲勞可靠性對(duì)車(chē)輛運(yùn)行的安全性來(lái)說(shuō)尤為重要，因此結(jié)構(gòu)疲勞可靠性是當(dāng)前車(chē)輛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的一個(gè)重點(diǎn)[2]，但與結(jié)構(gòu)輕量化二者常常出現(xiàn)矛盾。車(chē)體主要是裝載乘客以及設(shè)備安裝兩大功能，并承擔(dān)著在各種運(yùn)行工況下乘客和設(shè)備所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)附和力，充分驗(yàn)證車(chē)體的疲勞強(qiáng)度以及疲勞壽命是車(chē)輛設(shè)計(jì)不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

本文通過(guò)對(duì)整車(chē)實(shí)測(cè)載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用nCode進(jìn)行了疲勞分析，驗(yàn)證車(chē)體疲勞強(qiáng)度及疲勞壽命是否滿足要求，查找出了車(chē)體薄弱部位，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化改進(jìn)。

1 疲勞壽命分析方法基本原理

1.1 疲勞斷裂特征及形成機(jī)理

疲勞斷裂的過(guò)程可以簡(jiǎn)單的描述為：在周期或非周期性應(yīng)力載荷作用下，脆弱部位的材料在微觀區(qū)域發(fā)生塑性變形，隨著力的作用時(shí)間累積，裂紋從這個(gè)脆弱部位萌生，形成微裂紋；接著微裂紋緩慢延伸，進(jìn)而形成可檢測(cè)的宏觀裂紋；裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，受力截面積減小，應(yīng)力大于材料許用應(yīng)力，最后發(fā)生斷裂[3]。整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程可劃分為疲勞裂紋萌生階段(一般由材料表面缺陷或者內(nèi)部雜質(zhì)引起)、疲勞裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段和裂紋快速擴(kuò)展或瞬斷階段。

1.2 疲勞壽命預(yù)測(cè)方法

名義應(yīng)力(S-N)法：根據(jù)名義應(yīng)力或者彈性應(yīng)力和總壽命之間的關(guān)系預(yù)測(cè)總壽命，其廣泛應(yīng)用于加載應(yīng)力水平低、循環(huán)次數(shù)高(大于104～105)的高周疲勞失效問(wèn)題，廣泛用于焊接件。

局部應(yīng)變(e-N)法：根據(jù)局部應(yīng)變和裂紋起始?jí)勖g的關(guān)系預(yù)測(cè)起始?jí)勖鋸V泛應(yīng)用于加載應(yīng)力水平高、有顯著塑性應(yīng)變的低周疲勞失效問(wèn)題，但其不適用于焊接件。

斷裂力學(xué)(LEFM)法：根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展速率之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)缺陷的擴(kuò)展速度以及結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度。

車(chē)體主結(jié)構(gòu)為整體承載的大斷面鋁合金擠壓型材的輕量化焊接結(jié)構(gòu)，且疲勞破壞形式多為隨機(jī)載荷作用下引起的高周疲勞破壞，故采用名義應(yīng)力(S-N)法對(duì)車(chē)體進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。

1.3 影響疲勞壽命的因素

材料的疲勞極限和S-N曲線是由小尺寸光滑試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)得到的，將其應(yīng)用于實(shí)際構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)中，除了應(yīng)力變化范圍(應(yīng)力幅)、平均應(yīng)力這兩個(gè)主要因素，還需要考慮應(yīng)力集中、尺寸效應(yīng)、表面狀態(tài)、溫度等因素的作用。

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度取決于整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造及接頭細(xì)節(jié)特征等因素。由于焊縫處一般材料不均勻、存在殘余應(yīng)力、應(yīng)力集中和焊接缺陷，相對(duì)于母材，焊縫的疲勞壽命較低，且分散性較大，因此疲勞裂紋通常是在焊縫區(qū)產(chǎn)生。

1.4 解決疲勞問(wèn)題的策略

如圖1所示，目前解決疲勞問(wèn)題最完善的是一體化解決疲勞耐久策略[4]，基于整車(chē)實(shí)測(cè)載荷及材料S-N曲線，利用nCode對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行應(yīng)力分析并得到產(chǎn)品的預(yù)測(cè)壽命，對(duì)薄弱部位重新設(shè)計(jì)優(yōu)化。圖2為解決疲勞問(wèn)題的主要工程任務(wù)。

圖1 一體化解決疲勞問(wèn)題的策略

圖2 解決疲勞問(wèn)題的主要工程任務(wù)

2 試驗(yàn)方案

為了預(yù)測(cè)車(chē)體的疲勞壽命，找出車(chē)體的薄弱部位，根據(jù)一體化解決耐久問(wèn)題的策略，對(duì)整車(chē)進(jìn)行了動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)。由解決疲勞問(wèn)題的主要工程任務(wù)可知，試驗(yàn)主要分為以下四個(gè)階段：

(1)確定試驗(yàn)條件及傳感器測(cè)點(diǎn)；

(2)數(shù)據(jù)采集；

(3)數(shù)據(jù)處理；

(4)數(shù)據(jù)分析。

2.1 試驗(yàn)條件

為盡可能模擬車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行情況，試驗(yàn)條件如下：

(1)試驗(yàn)載荷：超載；

(2)試驗(yàn)工況：模擬車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)的加速、制動(dòng)、啟動(dòng)等工況；

(3)試驗(yàn)速度：車(chē)輛最高運(yùn)行速度為60 km/h。

2.2 傳感器測(cè)點(diǎn)布置

(1)傳感器測(cè)點(diǎn)布置原則

測(cè)點(diǎn)布置根據(jù)被試車(chē)主要承載部件的結(jié)構(gòu)、靜強(qiáng)度仿真計(jì)算結(jié)果和靜強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果確定。根據(jù)以下三個(gè)原則布置測(cè)點(diǎn)：靜態(tài)控制點(diǎn)，靜應(yīng)力水平較高的點(diǎn)；動(dòng)態(tài)控制點(diǎn)，靜應(yīng)力水平不高但在運(yùn)行過(guò)程中卻可能發(fā)生較大的動(dòng)應(yīng)力；結(jié)構(gòu)控制點(diǎn)，主要位于焊縫區(qū)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜部位。

(2)傳感器測(cè)點(diǎn)選擇方法

傳感器測(cè)點(diǎn)可按如下方法選擇：可估計(jì)的應(yīng)力集中區(qū)域，如結(jié)構(gòu)形狀的突變部位、斷面突變部位、焊縫邊緣等；由計(jì)算結(jié)果估計(jì)可產(chǎn)生高應(yīng)力的區(qū)域。

(3)傳感器測(cè)點(diǎn)布置圖

由車(chē)體的有限元強(qiáng)度計(jì)算報(bào)告和靜強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，初步確定傳感器測(cè)點(diǎn)的布置，共布置動(dòng)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)30個(gè)。最終的測(cè)點(diǎn)布置可能會(huì)根據(jù)被試車(chē)承載部件的實(shí)際結(jié)構(gòu)有所變化。應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)布置見(jiàn)圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.3 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置圖進(jìn)行應(yīng)變片的粘貼及連線，圖4、圖5為應(yīng)變片布置的局部及總體圖。圖6為e-DAQ數(shù)采儀及其附件。在2～4站臺(tái)間以最高車(chē)速60 km/h行駛，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖4 應(yīng)變片粘貼及連線(局部)

圖5 應(yīng)變片粘貼及連線(總體)

圖6 測(cè)試系統(tǒng)

3 數(shù)據(jù)處理

本文主要通過(guò)nCode GlyphWorks軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析。

3.1 數(shù)據(jù)修正

如圖7所示，為了確保數(shù)據(jù)的完整性和有效性，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)通道都創(chuàng)建了數(shù)據(jù)報(bào)告，并對(duì)其進(jìn)行初步的檢查。數(shù)據(jù)報(bào)告中包含了時(shí)域通道數(shù)據(jù)、三維雨流分析、數(shù)據(jù)的幅值分布和頻譜分析。

圖7 處理前數(shù)據(jù)報(bào)告

從數(shù)據(jù)報(bào)告中發(fā)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)有以下一種或者多種異常信號(hào)：

(1)顯著漂移，少數(shù)幾個(gè)通道有顯著漂移現(xiàn)象。

(2)輕微漂移，大部分應(yīng)變數(shù)據(jù)均有輕微漂移現(xiàn)象。

(3)非正常均值偏移，由于應(yīng)變通道測(cè)試開(kāi)始未進(jìn)行初始值至零，所有應(yīng)變數(shù)據(jù)均值都有偏移。

對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修正后的數(shù)據(jù)報(bào)告見(jiàn)圖8。

圖8 處理后數(shù)據(jù)報(bào)告

3.2 線路分析

在2～4站臺(tái)間進(jìn)行了6個(gè)往返的試驗(yàn)，由GPS數(shù)據(jù)可得第2次至第5次往返數(shù)據(jù)一致性較高，見(jiàn)圖9。

圖9 GPS數(shù)據(jù)

圖10為GPS車(chē)速圖，在3站臺(tái)至4站臺(tái)間的中央大道達(dá)到最高車(chē)速63 km/h。將速度數(shù)據(jù)進(jìn)行積分，得到一個(gè)往返的里程為2.5公里。如圖11、圖12所示，對(duì)比了4次往返數(shù)據(jù)的雨流分析結(jié)果以及頻譜分析結(jié)果，4次往返數(shù)據(jù)的一致性很高，因此后面的分析采用一個(gè)往返的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及分析。

圖10 GPS車(chē)速圖

圖11 雨流分析結(jié)果

圖12 頻譜分析結(jié)果

3.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

因采用應(yīng)力壽命疲勞分析，故需將采集的應(yīng)變數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)力數(shù)據(jù)。

在nCode中，使用胡克定律：

(1)

式中：σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量。

應(yīng)力最大值最小值如圖13所示，車(chē)體應(yīng)力均在10 MPa以下。應(yīng)力相對(duì)較高的點(diǎn)為下?tīng)恳龡U連接處以及門(mén)拐角處。在后面的分析時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)部位。

圖13 應(yīng)力最大最小值

4 數(shù)據(jù)分析

選取區(qū)間4的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，采集的數(shù)據(jù)里程為2.5公里，可將應(yīng)力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雨流數(shù)據(jù)，并在進(jìn)行等效后得到目標(biāo)里程為500萬(wàn)公里的應(yīng)力雨流直方圖，然后將應(yīng)力雨流直方圖作為疲勞分析的輸入。

4.1 基于材料性能的疲勞分析

對(duì)車(chē)體所有測(cè)點(diǎn)進(jìn)行粗略的疲勞分析，根據(jù)材料特性在nCode材料數(shù)據(jù)庫(kù)中選取抗拉強(qiáng)度為100 MPa(鋁合金)所對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)疲勞S-N曲線，選取應(yīng)力集中系數(shù)Kf=5，結(jié)合應(yīng)力雨流直方圖使用S-N分析流程得到車(chē)體疲勞損傷值，見(jiàn)圖14、圖15。

圖14 S-N分析流程

圖15 疲勞損傷值

表1列出了損傷值最大的四個(gè)部位的疲勞壽命，body_25的疲勞壽命最低為77.32 repeat(即77.32倍目標(biāo)里程)?；诓牧闲阅艿钠诜治鼋Y(jié)果可知，車(chē)體疲勞壽命均滿足設(shè)計(jì)要求，在門(mén)角及下?tīng)恳龡U連接處疲勞損傷值相對(duì)較高。

表1 疲勞壽命

4.2 基于BS7608的焊縫疲勞分析

對(duì)于焊縫這樣的關(guān)鍵部位，使用nCode軟件中英國(guó)焊接標(biāo)準(zhǔn)BS7608 S-N曲線預(yù)測(cè)焊縫疲勞壽命。根據(jù)目標(biāo)里程應(yīng)力雨流直方圖以及焊縫S-N曲線Steel Weld BS7608 ClassC，得到其疲勞損傷值如圖16所示。

圖16 疲勞損傷值

由焊縫疲勞分析結(jié)果可知，焊縫疲勞關(guān)鍵部位仍在門(mén)角及下?tīng)恳龡U連接處。針對(duì)這兩個(gè)部位，需通過(guò)FKM指南作進(jìn)一步的分析評(píng)估。

4.3 基于FKM指南進(jìn)行疲勞分析評(píng)估

FKM指南可用于結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的評(píng)估，它主要分為基于名義應(yīng)力和基于局部應(yīng)力兩類(lèi)[5]。本項(xiàng)目使用名義應(yīng)力對(duì)所關(guān)注部位的焊縫疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。

基于名義應(yīng)力的FKM疲勞強(qiáng)度評(píng)估通常分為8個(gè)步驟，見(jiàn)圖17。

圖17 FKM評(píng)估焊縫疲勞強(qiáng)度流程

在FKM指南中，變幅應(yīng)力通常用8級(jí)應(yīng)力譜定義，而應(yīng)力譜由實(shí)測(cè)時(shí)域應(yīng)力根據(jù)雨流計(jì)數(shù)獲得。

變幅應(yīng)力疲勞強(qiáng)度因子的計(jì)算主要根據(jù)Miner疲勞損傷累計(jì)理論，應(yīng)用疲勞損傷等效原理，并設(shè)定適當(dāng)?shù)呐R界損傷累計(jì)值。計(jì)算方法在FKM指南中給出，其方程為：

(2)

式中的潛在損傷為：

(3)

選取了門(mén)角及下?tīng)恳龡U連接處進(jìn)行分析，分析得到的疲勞強(qiáng)度結(jié)果如表1所示。表中包括計(jì)算參數(shù)均從指南上選擇相應(yīng)的值，利用度小于臨界值1表明滿足安全條件。

表1 FKM焊縫疲勞強(qiáng)度評(píng)估參數(shù)及結(jié)果

由基于FKM指南疲勞分析評(píng)估結(jié)果可知，body_25的焊縫利用度值為1，剛好處于臨界狀態(tài)，需要注意的是，F(xiàn)KM指南中鋁合金焊縫計(jì)算中的參數(shù)和鋼材料焊縫相比不同且有更多的假設(shè)性，許多焊縫型式?jīng)]有給出焊縫級(jí)別，而且參數(shù)的選擇也偏向于極限以及相當(dāng)保守的情況，故body_25滿足安全條件。body_25a的焊縫利用度值為0.95，亦滿足安全條件。

4.4 疲勞分析結(jié)果

基于材料性能的疲勞分析的結(jié)果顯示，各部位疲勞壽命均滿足設(shè)計(jì)要求，并得到了疲勞關(guān)鍵部位在門(mén)角及下?tīng)恳龡U連接處；基于BS7608的焊縫疲勞分析結(jié)果顯示出了焊縫疲勞關(guān)鍵部位，關(guān)鍵部位與前一結(jié)果相同；在前兩個(gè)方法的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FKM指南對(duì)兩個(gè)疲勞關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞分析評(píng)估，其結(jié)果顯示，兩個(gè)部位均滿足安全條件，故車(chē)體疲勞壽命滿足要求。

5 結(jié)論

針對(duì)實(shí)驗(yàn)車(chē)體，根據(jù)影響疲勞壽命的因素確認(rèn)了試驗(yàn)條件及傳感器測(cè)點(diǎn)，利用一體化解決疲勞問(wèn)題的策略進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)分析，最后得到了本次試驗(yàn)車(chē)體的薄弱部位在body_25，此處需重點(diǎn)關(guān)注，在后期運(yùn)行中對(duì)該部位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以保證車(chē)輛行駛安全。

根據(jù)名義應(yīng)力法，依次運(yùn)用材料性能疲勞壽命分析法、焊縫疲勞壽命分析法和FKM指南疲勞壽命分析法，對(duì)整車(chē)實(shí)測(cè)載荷進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，三種分析方法共同驗(yàn)證了車(chē)體滿足500萬(wàn)公里目標(biāo)里程的要求。本研究為今后的整車(chē)疲勞壽命預(yù)測(cè)提供了試驗(yàn)方法。