汽車(chē)培訓(xùn)基地適航試驗(yàn)車(chē)輛疲勞壽命分析

汽車(chē)培訓(xùn)基地適航試驗(yàn)車(chē)輛疲勞壽命分析

0強(qiáng)化系數(shù)和壽命可靠性增強(qiáng)試驗(yàn)是評(píng)估和驗(yàn)證汽車(chē)可靠性和耐久性的重要方法。在測(cè)試了不同表面的強(qiáng)化系數(shù)后，測(cè)量了不同的強(qiáng)化系數(shù)，并科學(xué)評(píng)估了強(qiáng)化測(cè)試結(jié)果。強(qiáng)化系數(shù)也稱為加速系數(shù)或快速系數(shù),其反映強(qiáng)化試驗(yàn)相對(duì)于基準(zhǔn)路面條件下的強(qiáng)弱程度,本質(zhì)上是試驗(yàn)對(duì)象在實(shí)際使用中的壽命與強(qiáng)化試驗(yàn)中的壽命之比。汽車(chē)在試驗(yàn)場(chǎng)搓板路上可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)仿真,并計(jì)算道路的強(qiáng)化系數(shù),可以指導(dǎo)汽車(chē)路試規(guī)范的準(zhǔn)確制定和優(yōu)化,縮短試驗(yàn)周期,降低成本,并具有風(fēng)險(xiǎn)小、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重復(fù)性好的優(yōu)點(diǎn)。1swt方程疲勞壽命預(yù)測(cè)算法采用Smith?Watson?Topper(簡(jiǎn)稱SWT)方程,并考慮了平均應(yīng)力的影響。疲勞壽命分析是基于Palmgren?Miner線性累積損傷法則(簡(jiǎn)稱Miner法則),其形式簡(jiǎn)單、使用方便,在工程分析中應(yīng)用廣泛。1.1疲勞性能的表征考慮平均應(yīng)力對(duì)疲勞壽命影響的SWT方程:式中,σmax為最大應(yīng)力值;εa為對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量;b為疲勞強(qiáng)度指數(shù);c為疲勞延性指數(shù);ε′f為疲勞延性系數(shù);σ′f為疲勞強(qiáng)度系數(shù);2Nf為載荷反向次數(shù)(也稱失效的半周期數(shù))。(1)Nf為載荷的周期數(shù),即載荷循環(huán)的次數(shù),以此來(lái)表達(dá)試驗(yàn)樣件的疲勞壽命;(2)σmax用以修正實(shí)際測(cè)試條件下的非零平均應(yīng)力對(duì)樣件疲勞過(guò)程的影響。如果應(yīng)力和應(yīng)變是從線彈性分析中得到,則需要經(jīng)過(guò)Ginka能量密度法計(jì)算得到真實(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變,才能應(yīng)用到方程中。1.2線性累積損傷法則線性累積損傷法則基于如下假設(shè):試樣受交變載荷的作用產(chǎn)生變形,所吸收的能量達(dá)到極限值時(shí)產(chǎn)生疲勞破壞,且試樣吸收的能量與交變載荷的循環(huán)次數(shù)成正比。例如,有一作用在試樣上產(chǎn)生應(yīng)變的應(yīng)力σ,其實(shí)際循環(huán)次數(shù)為nj時(shí),試樣吸收的能量為Wj,其中j=1,2,…,則該假設(shè)可以表達(dá)為:W1n1=W2n2=?=Wjnj=?=WN?W1W2=n1n2,?,WjW=njN,(2)式中,W為試樣破壞前可吸收的總能量;N為應(yīng)力σ作用時(shí)試樣破壞前總循環(huán)數(shù)。因此,試樣在某一應(yīng)力和應(yīng)變下的疲勞壽命可以用極限循環(huán)次數(shù)來(lái)表達(dá)。如果試樣的加載歷史由l個(gè)不同的應(yīng)力σi構(gòu)成,各應(yīng)力條件下的疲勞壽命為Ni,實(shí)際循環(huán)次數(shù)為ni,其中i=1,2,…,l。根據(jù)線性疊加原理和線性累積損傷法則的假設(shè),試樣實(shí)際吸收的總能量為∑i=1lWi,即作用于試樣上產(chǎn)生應(yīng)變的多個(gè)應(yīng)力造成疲勞失效的總效果相當(dāng)于每個(gè)應(yīng)力作用效果的疊加,這就是線性累積損傷法則?？梢缘贸?∑i=1lWiW=∑i=1lniNi,(3)試樣疲勞損傷值的表達(dá)式可以定義為:D=∑i=1lni/Ni,(4)當(dāng)疲勞損傷值D=1時(shí),試樣吸收的累積能量∑i=1lWi達(dá)到極限值W,試樣發(fā)生疲勞破壞。1.3強(qiáng)化系數(shù)kVPG仿真預(yù)測(cè)的疲勞壽命以循環(huán)次數(shù)表示,當(dāng)仿真時(shí)間和速度不同時(shí),相同的循環(huán)次數(shù)會(huì)得到不同的里程數(shù),無(wú)法進(jìn)行比較,可以根據(jù)公式(5)換算成壽命里程,而且表達(dá)更為直觀。式中,N為循環(huán)次數(shù);L為行使里程;v為仿真設(shè)定的速度;t為仿真設(shè)定的時(shí)間。采用試驗(yàn)場(chǎng)瀝青路面替代普通城市路面進(jìn)行強(qiáng)化系數(shù)的估算,設(shè)瀝青路的強(qiáng)化系數(shù)為1,即汽車(chē)在瀝青路面上進(jìn)行可靠性試驗(yàn)視為與普通城市道路行駛等同,則其他強(qiáng)化路面相對(duì)于瀝青路面的強(qiáng)化系數(shù)可以表達(dá)為:K=NlNq=LlLq,(6)式中,Nl(循環(huán)次數(shù))、Ll(行駛里程)為樣件在瀝青路面試驗(yàn)的疲勞壽命;Nq(循環(huán)次數(shù))。Lq(行駛里程)為樣件在其他強(qiáng)化路面試驗(yàn)的疲勞壽命。2摩擦可靠性測(cè)試，模型2.1驗(yàn)場(chǎng)碳工況模型的建立根據(jù)汽車(chē)道路試驗(yàn)的特點(diǎn),在不影響精度的前提下,系統(tǒng)建模的重點(diǎn)主要包括車(chē)身的結(jié)構(gòu)、行駛系統(tǒng)等;在駕駛員與副駕駛員位置、前后車(chē)門(mén)、行李箱等部位施加了集中質(zhì)量載荷。仿真系統(tǒng)有限元模型如圖1所示。試驗(yàn)場(chǎng)搓板路面來(lái)源于實(shí)際試驗(yàn)路面的三維實(shí)體建模及其有限元網(wǎng)格劃分,仿真的整車(chē)模型是在某車(chē)型白車(chē)身的基礎(chǔ)上,增加了發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架和輪胎等主要構(gòu)成部件,并創(chuàng)建用于車(chē)身疲勞和壽命分析的輪胎模型,整車(chē)共212個(gè)部件、68626個(gè)節(jié)點(diǎn)、65138個(gè)單元。設(shè)置仿真速度為30、40、50、60、70km/h,輪胎和路面的為點(diǎn)?面(NODES-TO-SURFACE)接觸,輪胎接觸類(lèi)型設(shè)置為INTERIOR,以避免輪胎模型中的橡膠材料的體單元在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)負(fù)體積以及節(jié)點(diǎn)速度無(wú)限大等問(wèn)題。為了控制由單點(diǎn)積分引起的沙漏,保證求解精度,設(shè)置沙漏系數(shù)為0.1,仿真過(guò)程設(shè)定為0.6s。2.2加速度信號(hào)對(duì)比在車(chē)速為50km/h的條件下進(jìn)行試驗(yàn)和仿真,采集中央通道的X、Y、Z方向的加速度信號(hào)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,如圖2所示。通過(guò)中央通道的仿真和試驗(yàn)的加速度曲線對(duì)比分析表明,建立的汽車(chē)-搓板路仿真模型能夠較真實(shí)地再現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果,所建模型和仿真數(shù)據(jù)有較高的精度,滿足工程應(yīng)用的要求。3勞動(dòng)性能分析與強(qiáng)化系數(shù)計(jì)算3.1疲勞損傷特性車(chē)輛分別以5種車(chē)速在瀝青路和搓板路上進(jìn)行仿真,并針對(duì)汽車(chē)的后橋、擋泥板、副車(chē)架、前地板進(jìn)行疲勞分析和疲勞壽命計(jì)算。疲勞壽命云圖能夠清晰表達(dá)車(chē)輛及其零部件動(dòng)態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變以及疲勞失效情況,其中車(chē)輛前地板在各速度條件下的疲勞壽命云圖,如圖3所示;車(chē)輛其他部件與前地板的疲勞壽命云圖具有相似的規(guī)律性。車(chē)輛的前地板在各速度條件下的疲勞壽命云圖可以看出:(1)疲勞損傷主要集中在前排座椅的正下方的位置,貼近車(chē)身兩側(cè)的B柱;(2)在相同速度條件下,瀝青路的疲勞損傷范圍和程度都小于對(duì)應(yīng)搓板路的結(jié)果;(3)瀝青路仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著車(chē)速的增加,疲勞損傷范圍擴(kuò)大、損傷程度加深,疲勞損傷結(jié)果具有明顯的規(guī)律性;(4)搓板路仿真試驗(yàn)結(jié)果表明,隨試驗(yàn)車(chē)速的增加,疲勞損傷范圍擴(kuò)大、損傷程度加深,在車(chē)速為50km/h時(shí)達(dá)到最大值;隨車(chē)速的繼續(xù)增加,疲勞損傷范圍縮小,損傷程度減弱,在70km/h之后的疲勞壽命云圖與瀝青路面試驗(yàn)接近。因此,汽車(chē)在搓板路上進(jìn)行可靠性試驗(yàn)過(guò)程中,搓板路具有加速和強(qiáng)化零部件疲勞損傷作用,強(qiáng)化程度與試驗(yàn)車(chē)速相關(guān)。對(duì)比不同速度對(duì)同一零件疲勞壽命的影響,能夠反映車(chē)速和疲勞壽命以及搓板路強(qiáng)化程度的關(guān)系。試驗(yàn)樣車(chē)在瀝青路上行駛的主要零部件疲勞壽命曲線,如圖4所示。圖4可以看出,在低速階段不同零部件的疲勞壽命有較大的差距,隨速度的增加,疲勞壽命及其差距減小、疲勞損傷加劇。試驗(yàn)樣車(chē)在瀝青路上行駛的主要零部件疲勞壽命曲線,如圖5所示。圖4和圖5曲線對(duì)比可以看出,搓板路面試驗(yàn)具有明顯的強(qiáng)化作用,隨車(chē)速的增加,存在最佳強(qiáng)化的速度范圍,本例為50km/h時(shí)試驗(yàn)車(chē)輛及其主要零部件的疲勞壽命最小。3.2洗板路可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)過(guò)程強(qiáng)化系數(shù)也稱為快速系數(shù),其反映強(qiáng)化試驗(yàn)相對(duì)于基準(zhǔn)條件下的強(qiáng)弱程度。仿真得到疲勞壽命通過(guò)公式(4)計(jì)算搓板路強(qiáng)化系數(shù),不同車(chē)速下的強(qiáng)化系數(shù)為強(qiáng)化曲線,試驗(yàn)樣車(chē)主要零部件搓板路強(qiáng)化曲線,如圖6所示。從圖6可以看出,汽車(chē)在搓板路上進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)有一定的規(guī)律性:第一、搓板路面對(duì)車(chē)輛不同部位的強(qiáng)化系數(shù)不同;第二、隨速度的增加,強(qiáng)化系數(shù)先增大后減小,存在強(qiáng)化程度的最大值。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中,搓板路試驗(yàn)循環(huán)多次反復(fù),很難保證相同的試驗(yàn)速度;同時(shí),有效試驗(yàn)速度需要盡量兼顧車(chē)輛不同部件的強(qiáng)化程度和強(qiáng)化效率的要求。因此,有效速度一般確定為一個(gè)速度范圍(車(chē)輛內(nèi)部的車(chē)速表可以分辨,駕駛?cè)藛T可以感覺(jué)到明顯的不同)。因此,針對(duì)此虛擬試驗(yàn)樣車(chē),速度在50～60km/h這個(gè)范圍內(nèi)時(shí),搓板路的強(qiáng)化作用較大、強(qiáng)化效率較高,可以確定為最佳有效車(chē)速范圍。4疲勞壽命分析汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn),在路面的強(qiáng)化性能不失真的條件下,最大限度的加速對(duì)應(yīng)于該路面的車(chē)輛及其部件的可靠性、耐久性考核,但存在著成本高、周期長(zhǎng)、重復(fù)性差、獲取數(shù)據(jù)不足等缺點(diǎn)。利用有限元仿真