汽車車橋的失效機理與可靠性分析

摘 要：產品的可靠性對于企業的發展至關重要。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上，對汽車車橋結構的可靠性進行分析，希望能夠味汽車可靠性的研究提供有益借鑒。

關鍵詞：汽車車橋；失效機理；可靠性

從當前形勢來看，隨著科技的不斷進步，消費者對產品的質量提出更高的要求，可靠性開始成為產品設計過程中一個備受關注的因素。在中國的汽車企業中，企業的管理者已經充分認識到了產品的可靠性對推動企業發展的重要作用。汽車的設計者在設計汽車的過程中，已經將汽車的可靠性視為衡量汽車整體質量的核心指標。從汽車的結構上看，車橋是汽車構造的關鍵部件，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，機械結構的可靠性主要有兩點要求：第一，這種可靠性設計能夠滿足機械整體的設計要求；第二，機械結構的可靠性具有一定的穩定性，不會因外界因素的改變而改變。然而，從實際情況來看，機械結構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生較大變化。機械結構的可靠性常常受到這些因素的不同影響，發生質或量的改變。當前，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構可靠性影響的性質以和具體程度進行深入系統的探究，對機械結構的可靠性靈敏度進行客觀、精準地測量。

國外的一些汽車品牌歷經了上百年的發展，已經具備了相當的可靠性。與之相比，當前國內汽車產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，中國的汽車產品理應向國外看齊，不斷學習，吸收國外寶貴經驗，爭取早日達到世界先進水平。要實現這一目標就要圍繞機械結構的設計，不斷提高汽車產品的可靠性。事實上，能夠對汽車產品的可靠性產生影響的有很多元素，其中最為關鍵的一個就是汽車產品的設計。而從汽車的結構上看，車橋是汽車構造的關鍵部件，整車的安全性極大地依賴于車橋的強度。目前，已經有不少汽車產品企業對汽車產品開展了結構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生改變的情況下對失效概率的影響，發現其中存在的規律。如果汽車零部件失效和某一某參數之間存在著較大的關聯，那么汽車產品的設計者在進行設計時就要對該參數嚴格把關，盡量使誘導其發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之間的關聯性較低，那么汽車產品的設計者在進行可靠性設計時，就可將其視為確定量值。這樣，隨機變量的數量得到了極大的降低，設計者可以將設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雜，非人力可以完成，因此分析過程常常借助相關分析軟件來完成，不僅提高了分析的效率，而且使分析結果更加客觀。

二、車橋的結構可靠性分析

（一）NESSUS 軟件

NESSUS 軟件的分析對象是機械系統及其零件在某一參數下的發生概率。該軟件依托于通用數字分析方法和當前最先進的概率算法，對工程系統的可靠性進行分析與計算。其優點主要體現在以下幾個方面：第一，它能夠對材料特性和初始條件等進行模擬，策略邊界條件的隨機性；第二，它能夠為機械產品的設計者提供強大、穩定的建模，并且依托可視化界面對數以萬計的工程問題進行測算；第三，該軟件采用了當前該領域最新、最先進的概率計算方法，能夠解決一切工程應用問題，如結構可靠性計算等。

（二）NESSUS 的概率分析方法

當前，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，能夠對工程系統的可靠性和概率響應進行深度系統的分析。這樣，根據分析結果，機械和工程的設計者能夠對各參數產生誤差的情況進行有效把控，降低各參數發生誤差的可能性，從材料的選取到具體產品的制造過程入手，努力提高機械和工程的可靠性，實現優化設計的終極目標。事實上，當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）后橋結構的可靠性分析

該后橋的輸入的參數為彈簧座滿軸載荷 PMAX，彈性模量EX，泊松比PRXY，材料密度DEN，材料的屈服強度YIES。根據應力-強度干涉模型，輸入極限狀態方程：

Z = YIES/SMAX-1 （1）

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

因為這一方法方程為線性，且多數隨機變量都呈正態分布，因此在NESSUS中的分析方法頁中首選MV這一方法，與此同時將信度設為95%，繼而定義NESSUS 的概率分析參數，并按照選定的概率計算方法求出結構運算點，對最終的結果進行整理和統計。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）前橋結構的可靠性分析

要想計算前橋的可靠性就應該針對前橋的不同工況進行相應的可靠性分析，繼而按照其靈敏度的計算結果，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。為了確保機械產品和工程的安全性，在機械承擔外部加載的條件下，設計者應該使屈服極限而導致的失效概率低于前橋的最大主應力。一旦前者高于后者，機械產品或工程就會因為系統失效問題而引發安全事故。輸入極限狀態方程：

Z = YIES-SMAX （3）

SMAX = ANSYS（ZMAX， EX， PRXY， DEN） （4）

因為這一方法方程為線性，且多數隨機變量都呈正態分布，因此在NESSUS中的分析方法頁中應首選MV這一方法，與此同時將信度設為95%。雖然當前MV方法已經十分客觀，但是仍然不排除具有計算誤差的可能性，因此應合理使用其他方法對計算結果進行驗算，以確保計算結果的可靠性。

結語

汽車車橋的可靠性關系到汽車的整體質量及安全性。本文在分析汽車車橋失效機理的基礎上，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人員的研究提供一些思路。

參考文獻：

[1]姜武華，王其東.基于可靠性的車橋結構多學科優化[J].汽車工程，2012（12）.

[2]陳喆，王偉.汽車車橋結構有限元分析[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：機械設計制造及其自動化（機電一體化）。