重型卡車金屬結構件可靠性設計變量控制方法研究

范禪金，田啟東，種暉

（陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，陜西 西安 710200）

前言

可靠性是產品的重要質量特性[1]。對作為生產力工具的重卡而言，可靠性水平的高低顯著影響用戶運營效益和企業口碑。隨著我國商用車邁向高端以及打入國際高端重卡市場的需求日益迫切，可靠性的提升成為一個重要突破口。商用車可靠性的提升是一個系統工程，包括不同細分市場車型可靠性定位、指標分配、工況分析、可靠性設計、制造、可靠性驗證、一致性管理等環節。

目前我國商用車行業正在掀起正向開發的浪潮，精準獲取用戶需求，完成從需求分析到產品可靠性設計，再到可靠性驗證的正向開發過程。本文聚焦可靠性正向開發流程中的關鍵環節-可靠性設計變量控制，主要研究了典型金屬結構件可靠性設計輸入（可靠性指標與載荷譜）與設計變量控制方法，為金屬結構件設計變量控制提供一種方法。

1 金屬結構件載荷譜

零部件的工況信息是進行可靠性設計的必要輸入條件。金屬結構件在車輛運行過程中受到一定規律的載荷，需采集該載荷譜數據（如圖1所示）。進一步利用雨流計數法[2-4]，將載荷譜轉化為譜塊（單位里程內包含不同力幅分段及其頻數信息）。可利用疲勞線性累積損傷理論[5]進一步將譜塊簡化為力幅一定的等效載荷及其頻數。該譜塊用于里程可靠性指標到疲勞壽命指標的轉化。

圖1 某推力桿載荷譜數據及其譜塊

2 金屬結構件特征可靠性指標

對于長壽命金屬結構件，通常其分配得到的可靠性指標是B10里程壽命（例如100萬公里）。為便于進行可靠性設計，通常需將里程可靠性指標轉化為特征可靠性指標（疲勞壽命指標）。以失效模式為疲勞破壞的某推力桿桿身為例，假設其B10壽命里程為L（里程L內不發生失效的概率為90%），載荷譜譜塊對應的里程為l，等效力幅為F0（譜塊頻數為n）。該推力桿對特定譜塊的循環數K應為：

進一步，等效力幅F0的循環數應為S：

式（2）表示推力桿在 S次循環內不發生失效的概率為90%，即為特征可靠性指標。特征可靠性指標是里程可靠性指標與可靠性設計之間的紐帶。

3 金屬材料P-S-N曲線

金屬材料疲勞失效規律通常用S-N曲線描述，S-N曲線表示特定材料在不同應力水平下對應的循環壽命。但一般的S-N曲線并沒有不同可靠度的循環壽命曲線。疲勞壽命是一個隨機變量，因此，要用概率統計方法進行壽命設計。

圖2 金屬材料P-S-N曲線[6]

將各應力水平下的疲勞壽命分布曲線上等可靠度的點用曲線擬合起來，就得到不同可靠度的一組 S-N曲線，稱為P-S-N曲線（概率-應力-壽命曲線），如圖2所示。其中每一條曲線代表某一可靠度下的S-N曲線。可根據需要繪制不同可靠度的S-N曲線，以滿足設計需要。

4 金屬結構件設計變量控制方法

推力桿的特征可靠性指標為S次循環壽命（力幅為F0）的概率為90%。該推力桿的可靠性設計即是找到適當的應力幅值，使其滿足特征可靠性指標要求。首先在P-S-N曲線數據庫中找到概率為90%的S-N曲線，對該曲線循環數取值S，相應地縱坐標值即為該推力桿應工作的應力幅值σ0。

該推力桿為二力桿機構，假設其桿身最小橫截面面積為A，則其在力幅F0作用下產生的應力幅為F0/A。查詢P-S-N曲線中可靠度為90%的曲線，通過循環壽命S反查對應的應力值σ0，則通過求解下式計算推力桿的橫截面面積A：

通過求解式（3）即可計算出滿足特征可靠性指標時，推力桿應具有的橫截面面積（直徑）。由于橫截面面積為推力桿的唯一設計變量（材料與工藝不變），即完成了對推力桿的可靠性設計（設計變量控制）。若設計對象為復雜類型結構件，具有多個設計變量，則應預先限定多數設計變量，剩余一個設計變量。

5 結論與展望

本文對金屬結構件的可靠性設計方法進行了研究。提出了包含概率統計意義的特征可靠性指標的概念。相對于通常的耐久性設計，其強調了指標的概率統計概念，是一種較為精準的可靠性指標定義。通過采集金屬結構件的載荷譜數據，了解用戶使用情況，作為可靠性設計的輸入，體現了正向設計的理念。本文創新性地利用P-S-N曲線，使得包含有概率統計概念的特征可靠性指標得以實現。本文提出的金屬結構件可靠性設計方法為金屬結構件的可靠性設計提供了一條思路。需要強調的是，P-S-N曲線呈現了材料疲勞壽命的概率分布特性，是金屬結構件可靠性設計的必要基礎數據，制造企業應積累自己常用金屬材料的P-S-N曲線數據庫，支持金屬結構件可靠性設計。