車輛疲勞耐久性分析及其優化技術研究

趙成剛　屈凡

摘 要：車輛在人們的生活、生產中占據的地位日益重要，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，大部分關鍵零部件的失效都是因疲勞使用而導致的，疲勞耐久性是衡量車輛產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、經濟性和可靠性現狀。對車輛的耐久性進行了分析，并提出了相應的優化措施。

關鍵詞：疲勞耐久性；優化措施；循環荷載；EIFS分布

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

現代車輛的結構逐漸向高速化和載重化的方向發展，為了保證車輛運行的安全性和穩定性，就要對車輛結構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構性能的主要指標之一，可直接反映車輛的運行狀態。但就車輛疲勞耐久性研究的現狀來看，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，需要對現存的不足進行分析，并選擇有效的優化措施，爭取不斷提高車輛的運行效率。

1 車輛耐久性疲勞分析

耐久性即產品在規定使用和維修的條件下，達到極限狀態前完成規定功能的能力，從本質上看，即產品在達到服務年限前，可維持正常狀態的時間。對于車輛而言，經常會將汽車或零部件可以行駛一定里程而不發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，各零部件和構件會受到循環荷載的影響，造成結構部分發生永久性結構變化，并在多次循環后形成裂紋或斷裂，這種情況稱為耐久性疲勞。一旦車輛結構或零部件出現耐久性疲勞，則直接影響車輛運行的穩定性和安全性。對于車輛的耐久性疲勞而言，其產生的主要原因是循環荷載作用，與疲勞損壞還有一定的距離，且一旦發生疲勞斷裂，則會導致車輛結構產生宏觀塑性變形。

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系的重要零部件，并基于結構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構或一部分作為研究對象，比如圓角、緊固孔和焊接件等，尤其是應力水平高且應力水平集中的部位。

2.2 材料參數

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

2.3 使用期斷裂紋擴展控制曲線

對于給定應力區，隨著時間t的變化，對細節描述的當量缺陷尺寸也會發生變化，且車輛的應力區不同，裂紋的擴展率也不同。在對車輛耐久性進行分析時，為了提高預測裂紋超越數概率的可靠性，可以結合使用期裂紋擴展控制曲線與EIFS分布，導出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為應力循環次數；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；Qi為裂紋擴展參數。

2.4 裂紋超越數

給定應力區i裂紋超越數即在指定時間t內該應力區i結構細節群中裂紋尺寸超過ar的細節數量，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。假設應力區每個細節相對小裂紋尺寸擴展相互獨立，則每個細節在時間t時，裂紋尺寸可達到ar的概率為p（i，t）。如果確定應力區i中所含細節數為Ni，則在時間t時的裂紋尺寸超過ar的細節數為N（i，t），服從參數為Ni與p（i，t）二項式分布，則平均裂紋超越數為：

N（i，t）=Nip（i，t）. （3）

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

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，則其結構指定細節群會包含多個應力區，可用L（t）表示結構細節群中裂紋尺寸超過ar的細節數量，且會隨著時間t的變化而變化。如果每個應力區的細節數N都比較大時，N（i，t）所對應的二項式分布依據中心極限定理趨近于數學期望N（i，t）和方差σN2（i，t）正態分布，則近似有N（i，t）～N[N（i，t），σN2（i，t）]，則細節群裂紋超越數為：

. （5）

式（5）中：L（t）為正態變量。

則細節群平均裂紋超越 和標準差σL（i）表示為：

. （6）

. （7）

3 基于CAE技術的車輛疲勞耐久性分析

3.1 建立多體動力學模型

建立多體動力學模型時，應利用整車和零部件參數建立總成系統，以完成運動學個動力學虛擬實驗，主要包括汽車操縱的穩定性、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，再由相應的模板生成子系統，最終由每個子系統組裝成整個車的模型。其中，子系統是以模板為基礎建立的，由多個零件組合而成，主要包括設計參數、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，利用車身質心位置處的質量點建模。

3.2 車輛零部件動應力計算

應用瞬態響應動力學分析法分析，在獲取零部件接連點位置的荷載譜后，對零部件各點應力譜進行瞬態動力學分析，公式為：

Mu'+Cu''+Ku=F（t）. （8）

式（8）中：M為質量矩陣；u'為節點加速度向量；C為阻尼矩陣；u''為節點速度向量；K為剛度矩陣；u為節點位移向量；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雜，則零部件動應力響應計算難度較大，所需時間更長，因此，為了在有效時間內取得準確性高的結果，應選擇用振型疊加法。

3.3 車輛零部件動態荷載分析

車輛零部件動態荷載分析分為以下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。整個系統中所需的數據采集工具有六分力傳感器、數據采集系統和應變片等。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 近似模型結構抗疲勞優化技術分析

采用近似模型對車輛抗疲勞優化技術進行分析，主要是利用統計方法和數學建模為基礎，以顯式表達方式實現模型的優化，可有效提高計算速度，降低結構優化過程中計算復雜等問題。在完成參數化建模后，可以通過實驗設計獲取每個設計組合的樣本點，并計算各樣本點對應的函數值，從而完成相似模型的建立。

參數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計變量的參數化模型。同時，可對模型結構進行優化。參數化技術的應用可對有限元模型中的設計變量進行調整，對設計方案進行反復驗算，保證所有優化目標的約束條件可達到預定要求，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樣本點和響應值完成，從而確定設計變量與響應值之間的數學關系，并在此基礎上利用優化算法進行快捷優化。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，提高結算的綜合效率。近似模型包括最小二乘響應面模型、移動最小二乘響應模型等。目前，模型方法在車輛疲勞耐久性優化中的應用越來越廣泛，且隨著近似模型的不斷優化，取得的效果也越來越明顯。

5 結束語

通過車輛疲勞耐久性分析可更好地了解車輛機械結構的運行狀態，從而采取有效的優化措施，不斷提高車輛運行的安全性和穩定性。因此，應結合實際需求，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〕