车辆疲劳耐久性分析及其优化技术研究

摘 要：车辆在人们的生活、生产中占据的地位日益重要，其在运行过程中会受到各种因素的影响，进而降低了其使用效率和服务年限，因此，必须做好车辆零部件的维护管理工作。就车辆运行的实际情况看，大部分关键零部件的失效都是因疲劳使用而导致的，疲劳耐久性是衡量车辆产品性能的主要指标之一，在很大程度上代表了车辆的安全性、经济性和可靠性现状。对车辆的耐久性进行了分析，并提出了相应的优化措施。

关键词：疲劳耐久性；优化措施；循环荷载；EIFS分布

中图分类号：U467 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.06.017

现代车辆的结构逐渐向高速化和载重化的方向发展，为了保证车辆运行的安全性和稳定性，就要对车辆结构和各零部件有更为严格的要求。疲劳耐久性是衡量车辆零部件和结构性能的主要指标之一，可直接反映车辆的运行状态。但就车辆疲劳耐久性研究的现状来看，还存在一定的不足。因此，为了提高对车辆疲劳耐久性研究的效果，需要对现存的不足进行分析，并选择有效的优化措施，争取不断提高车辆的运行效率。

1 车辆耐久性疲劳分析

耐久性即产品在规定使用和维修的条件下，达到极限状态前完成规定功能的能力，从本质上看，即产品在达到服务年限前，可维持正常状态的时间。对于车辆而言，经常会将汽车或零部件可以行驶一定里程而不发生故障作为衡量车辆耐久性的重要指标。但在车辆长时间运行的过程中，各零部件和构件会受到循环荷载的影响，造成结构部分发生永久性结构变化，并在多次循环后形成裂纹或断裂，这种情况称为耐久性疲劳。一旦车辆结构或零部件出现耐久性疲劳，则直接影响车辆运行的稳定性和安全性。对于车辆的耐久性疲劳而言，其产生的主要原因是循环荷载作用，与疲劳损坏还有一定的距离，且一旦发生疲劳断裂，则会导致车辆结构产生宏观塑性变形。

2 车辆耐久性分析方法

2.1 分析对象

车辆耐久性分析的对象为疲劳寿命与强度有重要联系的重要零部件，并基于结构损伤度和可靠度进行详细分析，最终判断其使用寿命。在对车辆进行耐久性分析时，可将整个车辆机械结构或一部分作为研究对象，比如圆角、紧固孔和焊接件等，尤其是应力水平高且应力水平集中的部位。

2.2 材料参数

材料参数的分析对象包括断裂韧性、EIFS分布和表面粗糙系数等。在研究时，基本上以概率断裂力学为基础，并通过试验的手段得到相应数据。其中，对于普通材料而言，可直接在相应的数据库中搜寻相应的参数信息，比如尺寸系数、断裂韧性和表面粗糙度系数等。

2.3 使用期断裂纹扩展控制曲线

对于给定应力区，随着时间t的变化，对细节描述的当量缺陷尺寸也会发生变化，且车辆的应力区不同，裂纹的扩展率也不同。在对车辆耐久性进行分析时，为了提高预测裂纹超越数概率的可靠性，可以结合使用期裂纹扩展控制曲线与EIFS分布，导出EIFS控制曲线所用的裂纹扩展方式形式一致，则使用期裂纹扩展率为：

da/dN=Qia. （1）

式（1）中：a为裂纹长度；N为应力循环次数；Qia为使用期裂纹扩展率。

控制曲线为：

yTi（t）=arexp（-Qit）. （2）

式（2）中：yTi为当量初始缺陷尺寸；ar为试验常数；Qi为裂纹扩展参数。

2.4 裂纹超越数

给定应力区i裂纹超越数即在指定时间t内该应力区i结构细节群中裂纹尺寸超过ar的细节数量，用N（i，t）表示，并作为一个离散型随机变量，且会随着时间t的变化而变化。假设应力区每个细节相对小裂纹尺寸扩展相互独立，则每个细节在时间t时，裂纹尺寸可达到ar的概率为p（i，t）。如果确定应力区i中所含细节数为Ni，则在时间t时的裂纹尺寸超过ar的细节数为N’（i，t），服从参数为Ni与p（i，t）二项式分布，则平均裂纹超越数为：

N’（i，t）=Nip（i，t）. （3）

式（3）中：N’（i，t）为时间t内裂纹尺寸超过ar的细节数；Nip（i，t）为平均裂纹超越数。

标准差为：

σN（i，t）={Nip（i，t）[1-p（i，t）]}1/2. （4）

在对车辆耐久性进行分析时，则其结构指定细节群会包含多个应力区，可用L（t）表示结构细节群中裂纹尺寸超过ar的细节数量，且会随着时间t的变化而变化。如果每个应力区的细节数N都比较大时，N（i，t）所对应的二项式分布依据中心极限定理趋近于数学期望N’（i，t）和方差σN2（i，t）正态分布，则近似有N（i，t）～N[N’（i，t），σN2（i，t）]，则细节群裂纹超越数为：

. （5）

式（5）中：L（t）为正态变量。

则细节群平均裂纹超越 和标准差σL（i）表示为：

. （6）

. （7）

3 基于CAE技术的车辆疲劳耐久性分析

3.1 建立多体动力学模型

建立多体动力学模型时，应利用整车和零部件参数建立总成系统，以完成运动学个动力学虚拟实验，主要包括汽车操纵的稳定性、安全性和平顺性等性能的精确模拟和计算。整个ADAMS/CAR建模过程为自下而上，逐次完成各个模板的建立，再由相应的模板生成子系统，最终由每个子系统组装成整个车的模型。其中，子系统是以模板为基础建立的，由多个零件组合而成，主要包括设计参数、模板文件和引用属性文件等多方面的说明。整车建模需要对部分零部件进行简化处理，比如将车身看作为刚体，利用车身质心位置处的质量点建模。

3.2 车辆零部件动应力计算

应用瞬态响应动力学分析法分析，在获取零部件接连点位置的荷载谱后，对零部件各点应力谱进行瞬态动力学分析，公式为：

Mu"+Cu""+Ku=F（t）. （8）

式（8）中：M为质量矩阵；u"为节点加速度向量；C为阻尼矩阵；u""为节点速度向量；K为刚度矩阵；u为节点位移向量；F（t）为荷载时间历程。

可选择此类分析方法对车辆零部件动应力进行计算，相对有效的求解方法有振型叠加法和直接法。其中，如果实际荷载信号比较长，且有限元模型比较复杂，则零部件动应力响应计算难度较大，所需时间更长，因此，为了在有效时间内取得准确性高的结果，应选择用振型叠加法。

3.3 车辆零部件动态荷载分析

车辆零部件动态荷载分析分为以下2部分：①试验法。对检测车辆安装传感器进行路面试验，以获得零部件的载荷时间历程。整个系统中所需的数据采集工具有六分力传感器、数据采集系统和应变片等。此种方法是一种最直接获取载荷的方式，车辆在实际路面行驶过程中即可获取其载荷时间历程，为汽车零部件疲劳寿命分析的精确度提供了有力的保证。②多体动力学分析。采用ADAMS软件自带的路面模型为分析中的激励，获取零部件接连点疲劳分析荷载信号。该方法操作方便，可有效降低检测成本，但最终结果会受到实际路面情况和整车模型等因素的影响。

4 近似模型结构抗疲劳优化技术分析

采用近似模型对车辆抗疲劳优化技术进行分析，主要是利用统计方法和数学建模为基础，以显式表达方式实现模型的优化，可有效提高计算速度，降低结构优化过程中计算复杂等问题。在完成参数化建模后，可以通过实验设计获取每个设计组合的样本点，并计算各样本点对应的函数值，从而完成相似模型的建立。

参数模型的建立通过变量代替原始模型中的属性，保证整个有限元模型成为带有一系列设计变量的参数化模型。同时，可对模型结构进行优化。参数化技术的应用可对有限元模型中的设计变量进行调整，对设计方案进行反复验算，保证所有优化目标的约束条件可达到预定要求，从而达到提高计算速度、降低计算成本的目的。而近似模型的建立可以利用DOE样本点和响应值完成，从而确定设计变量与响应值之间的数学关系，并在此基础上利用优化算法进行快捷优化。选择此种方法处理，可有效减少计算误差，且可代替高强度仿真计算，提高结算的综合效率。近似模型包括最小二乘响应面模型、移动最小二乘响应模型等。目前，模型方法在车辆疲劳耐久性优化中的应用越来越广泛，且随着近似模型的不断优化，取得的效果也越来越明显。

5 结束语

通过车辆疲劳耐久性分析可更好地了解车辆机械结构的运行状态，从而采取有效的优化措施，不断提高车辆运行的安全性和稳定性。因此，应结合实际需求，对存在的不足进行研究，争取提高耐久性分析的有效性，确保车辆运行效率的不断提高。

参考文献

[1]吴道俊.车辆疲劳耐久性分析、试验与优化关键技术研究[D].合肥：合肥工业大学，2012.

[2]陈丰.钢铝混合材料车身框架结构疲劳耐久性研究[D].广州：华南理工大学，2011.

[3]沈渡.某车型排气系统疲劳耐久性分析[D].成都：西南交通大学，2010.

〔编辑：张思楠〕