孙涛;郑非;刘斌;郑松林
【摘 要】本文中采用PAVE试验与疲劳寿命虚拟分析技术相结合的方法,对某承载式车身结构进行了疲劳寿命分析.根据结构疲劳寿命分析理论,采用有限元分析方法,对车身结构的疲劳寿命进行预测分析,同时在PAVE路面上进行快速试验.通过分析与试验结果的对比,验证了PAVE强化耐久试验与CAE分析的相关性,分析了造成车身结构若干区域寿命低的原因,并提出了改进方案,从而有效解决了该车车身疲劳寿命设计中存在的缺陷,为后续设计提供参考. 【期刊名称】《汽车工程》2019未来科学大奖
【年(卷),期】2016(038)003
【总页数】7页(P390-396)
【关键词】汽车工程;PAVE试验;有限元法;疲劳寿命;比利时路;强化系数
【作 者】孙涛;郑非;刘斌;郑松林
【作者单位】上海理工大学机械工程学院汽车工程系,上海200093;机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室,上海200093;上海理工大学机械工程学院汽车工程系,上海200093;机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室,上海200093;上汽集团商用车技术中心,上海200438;上海理工大学机械工程学院汽车工程系,上海200093;机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室,上海200093
【正文语种】中 文
承载式车身结构广泛应用于现代轿车与轻型商用车的车身结构中，与传统的车身-车架结构形式相比，承载式车身具有制造成本低，质量轻，整车质心高度低等优点，从而在一定程度上改善了汽车的操纵性能及燃油经济性。然而，该型车身的弯曲、扭转刚度和强度等指标的变化，以及由此可能产生的振动和噪声等乘坐舒适性指标的降低，将直接影响驾乘感受和整车使用寿命与性能品质。为此，承载式车身的可靠性问题必须在产品开发阶段加以重视。
常规的疲劳耐久试验需要耗时半年进行一轮试验，从而发现并解决问题，严重制约了新车开发进程，如果问题难以规避，重新设计与制造将使开发周期再次延长。与常规试验方式
相比，PAVE 快速疲劳耐久性试验的周期大幅缩短到20天左右，并通过使用CAE，预测车身的疲劳性能。与PAVE试验结果进行相关性分析，可及时发现问题并提出改进方案，极大地缩短承载式车身耐久性开发周期。PAVE试验与CAE分析相结合的一体化开发流程如图1所示。
文献[1]和文献[2]中针对车辆零部件疲劳耐久性进行了大量研究,积累了一整套从路面试验,理论分析到可靠性评价的研发流程和数据资料,并形成了成熟的规范体系。然而，相对于国外，国内对汽车结构疲劳寿命的研究工作起步较晚，研究的对象也大多限于主要零部件的疲劳寿命理论分析[3-4]。本文中着重研究某承载式车身快速疲劳试验与有限元法的相关性分析，从而提供解决设计开发初期车身疲劳寿命预测及试验等效性等问题的思路。
PAVE试验的路面是比利时路，俗称石块路，是汽车耐久性试验中最典型的路面之一[5]。由于沿道路纵向的随机数列都具有相同的自谱密度，而轮距相同的两车辙所对应的随机数列具有相同的互谱密度，从而保证了车辆在路面上行驶时的振动输出特性与行驶路线选择无关[6]。PAVE试验规范就是根据比利时路面强化系数制定的。
本文中研究的对象为某乘用车的商用汽车承载式车身,根据其在某试验场比利时路测得的载
荷时间历程，通过双参数雨流计数法和Goodman疲劳经验公式进行零平均应力的应力循环等效转换，运用Basquin公式拟合得到零部件S-N曲线，然后经过三参数威布尔分布和程序载荷谱对数据进行处理，按照修正的Miner疲劳累积损伤理论得到频率因子与损伤因子,最后，求出比利时路面的强化系数,从而确定了该承载式车身在此试验道路行驶的强化系数。 1.1 载荷时间历程的统计
利用在某试验场进行的汽车车身载荷测试数据，经过对试验突变数据和高阶多项式趋势项的判断与消除后，运用双参数雨流计数法[7],可以得到车身载荷时间历程信号均值与幅值雨流矩阵直方图，如图2所示。
由于本文中采用修正的Miner疲劳累积损伤理论进行强化系数的计算，但Miner理论假定对称循环载荷加载，也就是载荷均值为零，而上述经雨流计数统计的均值不为零，因此，必须对试验数据中的非零平均应力的应力循环等效转换成零平均应力的应力循环。为此，应用Goodman线性经验公式进行等效转换，即
hdn
式中：σai 为第i次循环应力幅值；σi为第i次循环等效零均值应力；σmi 为第i次循环平均应力；σb为拉伸强度极限。
摆线齿轮
1.2 材料和零部件的疲劳性能曲线
在工程运用上，由于Basquin公式形式简单，计算方便且对数据的拟合度高，所以，多用来对材料疲劳性能进行拟合进而得到零部件的疲劳性能曲线，其公式为[8]
fifa2003式中：σa为应力幅值；N为对应的疲劳寿命；M和C为与材料及试样的加载有关的常数。
而零部件的疲劳性能不仅要考虑材料的疲劳性能，还要考虑尺寸、表面加工和应力集中，即
式中为零部件疲劳极限；σ-1为材料疲劳极限；ε为零部件的尺寸系数；β为零部件的表面加工系数；kf为零部件的应力集中系数。
对Basquin公式两边取对数得到一个线性疲劳性能拟合公式，再根据文献[9]可推出本文中所用材料SAPH400的Basquin S - N曲线方程为
约翰萨顿lgN=-6.67lgσ+20.41
1.3 等效应力幅值分布函数的估算及其检验
在疲劳强度可靠性设计中，表达疲劳强度分布的函数除了正态分布函数外，还有威布尔分布概率密度函数。由于威布尔分布概率密度函数存在最小寿命，即100%存活率的寿命，是符合疲劳破坏实际情况的，故采用三参数威布尔分布，其概率分布函数为
相应的分布参数利用MATLAB进行估计，得到：w=1.1413，η=26.2255，γ=12.7009。在威布尔概率纸上绘出比利时路等效应力幅值及其概率和拟合直线，如图3所示。
根据威布尔函数可以转化成直线关系[10]，利用这种关系可以检验试验数据是否符合威布尔分布。在图3绘制的威布尔分布概率纸上，不加位置参数的双参数威布尔分布数据的拟合曲线是一条近似直线的曲线；而加了位置参数的三参数威布尔分布数据的拟合曲线基本上是一条直线，更符合威布尔分布。
对于上面根据Goodman公式等效转换得到的数据，通过对其进行K -S检验[11],确定等效应力幅值均服从三参数威布尔分布。
1.4 程序载荷谱的编制
由于试验条件和有限载荷数据采集量等因素的限制，采集到的数据基本上是正常载荷，很
少有大载荷出现，但影响疲劳寿命的重要因素之一就是少数极值载荷，不考虑极值载荷的估计结果会造成很大误差，所以，需要由实测载荷扩展出极值载荷。根据工程经验一般取10E6的累积循环过程中出现最大应力幅。因此，采用10E-6超值累积频率的概率分布公式即可求得最大应力幅值。
式中：K(x)为实测载荷样本的分布函数；Smax为极值载荷。
于是，可以得到极值应力幅值σmax=250.6MPa。运用Conover理论[12]将实测载荷谱分为8级程序载荷谱，以便进行强化系数的计算。
1.5 疲劳累积损伤理论及强化系数的计算
疲劳累积损伤理论认为，当材料承受高应力时，每一循环都使材料产生一定量的损伤，当损伤积累到临界值时发生破坏，这也就是材料固有寿命的消耗过程。由于Miner线性疲劳累积损伤理论[13]表达式简单，所以被广泛应用到疲劳寿命预测中。总损伤量D 为
式中：di为构件在ni次循环所受的损伤;Ni为S-N曲线上对应于等效应力幅值σi的破坏循环次数。根据Miner提出的假设，当 D =1时零件累积损伤结束，即发生疲劳失效。根据Basquin
疲劳特性曲线公式,可得
式中:N0为疲劳极限对应疲劳寿命；为疲劳极限；σi为第i级等效应力幅值；m为疲劳指数。jesscadrake2018
根据程序载荷谱：
式中：nL为各级载荷的总循环数；θi为第i级应力幅水平下的频次率；αi为程序载荷谱中对应于第i级等效应力幅值的循环数。将式(7)中的Ni代入式(6)，再将式(8)代入式(6)中，并认为D=1时发生疲劳失效，得到关系式为
由于用里程数表示寿命会更加直观，所以用L2(普通路面上车身发生疲劳失效时所行驶的路程)除以L1 (比利时路面上车身发生疲劳失效时所行驶的路程)得到强化系数为
根据里程数与应力循环数成正比的关系，将式(9)中nL换算成总里程数L，得
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