基于实车道路载荷谱的后桥疲劳寿命研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.18MB 65 页 15积分

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摘要

在车辆工程领域，传统的基于载荷谱的寿命预估方法仅按照损伤来处理载荷，

一般分别应用 Miner、修正 Miner、Manson 双线性及 Corter-Dolan 累积损伤理论

对载荷谱下的疲劳寿命进行估算。然而事实上，估算结果往往比随机载荷谱下的

疲劳试验结果偏“安全”，即估算的疲劳寿命比实际疲劳要短。这样往往导致车辆

的结构设计过重，不能充分发掘材料的性能。目前，全球都在探讨汽车轻量化的

有效方法和途径，但是迄今为止，还没有一款既轻量化又低成本的汽车面世。所

以要做到性能和成本的平衡还是很难的。对于我们资源贫乏的现状，强度研究工

作者对探索既减重又低成本的汽车结构设计理论和方法负有重要责任，深入研究

并掌握载荷特性和零件的强度特性，是实现汽车结构轻量化设计的关键技术，本

文根据长期从事车辆使用载荷谱中大量低幅载荷对零件疲劳的强化作用的研究积

累，认为应从载荷造成的损伤和强化两方面来处理载荷，以接近真实的物理过程，

在设计阶段进行合理的减重，同时提高寿命预估精度。

本文以某汽车后桥为研究对象，首先利用有限元确定后桥在试验载荷下的危

险截面和危险点。继而利用应变片测得这些危险点在试车场道路上的时间应力历

程，分析载荷谱中具有强化作用的载荷。有研究发现，材料在这种起强化作用的

低幅载荷下锻炼一定的次数后，零件的疲劳极限可以得到提高。考虑低幅载荷对

寿命的影响，计算出更接近实际的疲劳寿命。利用已经采集到的后桥时间应力历

程，经过整理编辑和迭代，生成试验加载谱，最后对 3根后桥试件进行多通道台

架模拟试验，将实际使用寿命和理论计算结果进行对比，两者的寿命误差仅为

7％，疲劳寿命的预测精度明显提高。这为其他汽车零部件的开发提供了参考依据，

为提高自主品牌汽车的设计水平和竞争能力提供技术支持。

关键词：汽车后桥载荷谱低载强化疲劳寿命

ABSTRACT

In the field of vehicle engineering, the traditional life prediction method based on the

load spectrum handles the load only in accordance with damage and according to the

Miner, modified Miner, Manson bilinear and Corter-Dolan cumulative damage theories

to estimate the fatigue life under load spectrum. But in fact, often the estimated fatigue

life is “safer” than the real fatigue life under random load spectrum. That means the

estimated life is shorter than the real life. This often leads to the structural design of

vehicles too heavy, and can not fully play the potentials of the materials. Currently, the

world is to explore the effective ways and means of the lightweight car, but so far, no

both lightweight and low-cost car is available. Therefore, to achieve balance between

performance and cost is still very difficult. For our resource-poor situation, the

engineers has an important responsibility to explore both lightweight and low-cost car

design theory and method and in-depth study and master the part load characteristics

and strength properties. It is the key technology of lightweight design of automotive

structures. This paper indicated that the load should be deal with both damage and

strenthening to close to the real physical processes. In the design period to reduce the

reasonable weight and increasing the life prediction accuracy.

Taking a rear axle as the research object, the first step is to determine the dangerous

sections and points using the finite element method. Then measure the time-stress

history using strain gauge on the test road for these dangerous points and analyze the

strengthening load of load spectrum. Yet it was also found that, from later researches,

element strength would be increased if the materials were applied with low amplitude

load at some cycles in advance. Consider the low amplitude loading to the calculated

life to get a closer result to the actual fatigue life. Using collected time-stress history of

the rear axel, after editing and iteration to generate test load spectrum. the last is to do

the multi-channel simulation test and make a bench between the actual life and

calculated results. The compared deviation is only 7%. The fatigue life prediction

accuracy is significantly improved. This provides a reference for the development of

other auto parts and improves the level of own-brand vehicle design and provide

technical support for the competitive capacity.

Keywords: Rear axle, load spectrum, strengthening under low

amplitude loading, fatigue life

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 .......................................................... 1

§1.1 课题研究背景、意义及来源 .................................... 1

§1.1.1 课题研究背景及意义 ....................................... 1

§1.1.2 课题来源 ................................................. 2

§1.2 国内外相关研究文献综述 ...................................... 2

§1.2.1 车辆零部件抗疲劳设计和载荷谱 ............................. 2

§1.2.2 国内外汽车耐久性快速评价技术发展历史及现状 ............... 3

§1.2.3 低载强化研究 ............................................. 5

§1.2.4 汽车道路模拟试验方法概述 ................................. 7

§1.3 本文研究的主要内容 .......................................... 8

第二章材料疲劳性能研究 ............................................. 10

§2.1 疲劳的分类 ................................................. 10

§2.2 疲劳寿命 ................................................... 10

§2.2.1 疲劳寿命估算方法 ....................................... 12

§2.2.2 影响结构疲劳寿命的主要因素 ............................. 12

§2.3 S-N 曲线 ....................................................13

§2.4 载荷谱中载荷的分区 ......................................... 15

§2.5 低载强化力学模型 ........................................... 16

§2.6 本章小结 ................................................... 17

第三章载荷疲劳统计基本理论 ......................................... 18

§3.1 载荷表征参数 ............................................... 18

§3.2 载荷统计计数 ............................................... 18

§3.3 载荷统计参数 ............................................... 20

§3.4 本章小结 ................................................... 20

第四章后桥耐久性道路载荷谱测定 ..................................... 21

§4.1 后桥静载有限元分析 ......................................... 21

§4.1.1 后桥总成结构简介 ....................................... 21

§4.1.2 后桥试验测点的确定 ..................................... 22

§4.2 测量轮简介 .................................................. 28

§4.2.1 测量轮结构及原理 ........................................ 28

§4.2.2 测量轮设计特点 .......................................... 30

§4.3 道路载荷谱的采集 ............................................ 31

§4.3.1 试验测试信号的选定 ...................................... 31

§4.4 试验车载荷配置 .............................................. 33

§4.5 试车场简介 .................................................. 34

§4.6 实车试验 .................................................... 36

§4.6.1 测量轮调试 ............................................... 36

§4.6.2 应变片信号的调试 ......................................... 37

§4.6.3 测量进行 ................................................. 37

§4.7 本章小结 ................................................... 39

第五章后桥载荷谱分析 ............................................... 40

§5.1 载荷-时间历程的编辑整理 .................................... 40

§5.1.1 信号修正 ............................................... 40

§5.1.2 信号剪切 ............................................... 42

§5.1.3 伪损伤比较 ............................................. 42

§5.1.4 信号连接 ............................................... 45

§5.1.5 重新采样 ............................................... 46

§5.2 载荷谱统计特征分析 .......................................... 46

§5.3 雨流计数 .................................................... 48

§5.4 载荷效用分析 ............................................... 49

§5.4.1 后桥强度参数 ............................................ 49

§5.4.2 载荷谱强化损伤载荷分析 .................................. 50

§5.5 结构件低载强化特性 .......................................... 50

§5.5.1 后桥的低载强化寿命预测 .................................. 51

§5.6 本章小结 .................................................... 52

第六章后桥道路模拟试验 ............................................. 53

§6.1 MTS 329 道路模拟试验台简介 ...................................53

§6.2 模拟道路试验 ................................................ 54

§6.3 本章小结 .................................................... 55

第七章结论与展望 ................................................... 56

§7.1 研究结论 ................................................... 56

§7.2 本文创新点 ................................................. 56

§7.3 研究展望 ................................................... 57

第一章绪论

§1.1 课题研究背景、意义及来源

§1.1.1 课题研究背景及意义

2009 年随着美国金融危机的不断蔓延，美国通用汽车公司申请破产保护，除

中国以外的汽车市场出现了大幅萎缩，相反的中国市场却在政府多重利好政策的

刺激下，一举成为全球最大的汽车消费市场，2010 年产量超过了 1800 万辆。然

而大并不代表强，我国的汽车工业在核心技术方面依然过度依赖于国外汽车公司，

缺乏完整的自主知识产权，自主开发设计能力水平较低，技术储备比较落后，这

些因素严重制约了我国汽车工业长期高速发展的步伐，因此，加强企业的自主研

发能力势在必行，只有这样才能提高企业的核心竞争力，才能不受制于人，才能

使我们民族汽车工业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

汽车是一种高速运动并承载的机械，它在路面行驶时会遇到各种无法预测的

随机载荷，它的结构设计就势必要考虑动态性能。耐久性评价是汽车产品开发设

计阶段的一个重要环节，目前比较常用的方法是将实际道路采集的时间-应力谱在

试验台架上迭代出驱动信号，然后通过作动器的多轴向加载施加到部件相应部位

来模拟道路试验。为了加速试验，一般在迭代前对采集的载荷谱进行一定的处理。

处理后的载荷谱应尽可能与实际载荷谱损伤等效，同时又要尽可能缩短试验时间

和减少费用，更重要的是要与实际工作状态接近。先进有效的试验手段可以大大

降低开发费用、缩短开发周期，在日益激烈的市场竞争中这对于任何厂家来讲都

是至关重要的。

耐久性评价有寿命预测和耐久性试验 2 种形式[1]。由于疲劳寿命计算和预测

还不能做到十分精确，对于安全性要求高的零部件，耐久性试验往往是其耐久性

评价的主要方式。耐久性试验方法有 3 种：车辆实际道路耐久性试验、车辆道路

试验场试验和室内道路模拟试验[2]。随着现代控制理论、电子计算机和电液伺服

技术的发展，试验周期短、试验结果重复性好的室内道路模拟试验逐渐取代试车

场试验，占有越来越重要的地位，成为应用最多的汽车耐久性试验方法。

虽然室内道路模拟试验相比试车场道路试验有了很大的成本优势，但是相对

于理论计算预测疲劳寿命还是比较费时费力，如何找到比较够准确的计算模型用

于评估疲劳寿命是本文的研究重点，本文主要研究低幅载荷对疲劳寿命的影响，

研究如何比较准确地预测零件的疲劳寿命。

基于实车道路载荷谱的后桥疲劳寿命研究

§1.1.2 课题来源

本项目由上海大众汽车有限公司提出，由上海理工大学机械学院和上海大众

合作共同完成，双方不但具备完成项目所必需的硬件和软件，而且积累了大量零

部件开发试验标准研究的经验，这为本项目的完成提供了很好的基础。本研究成

果可以直接为上海大众汽车有限公司所用，对国内其他汽车企业也有很好的应用

参考价值。

§1.2 国内外相关研究文献综述

§1.2.1 车辆零部件抗疲劳设计和载荷谱

车辆行驶过程中的故障主要是由机械失效引起的。机械失效是指机械结构或

零件的尺寸、形状和材料性能发生了改变，不能实现预期的功能。车辆零件发生

的机械失效主要有以下几种形式：弹性变形、塑性变形、疲劳、磨损、腐蚀、碰

撞等，其中以疲劳和磨损为主要的失效形式[4]。据统计，大约有 80%的零件破坏是

因疲劳造成的。引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析估

算出来的“安全”载荷。所以，汽车的结构轻量化设计实质是一种结构抗疲劳设

计。

目前广泛使用的抗疲劳设计方法主要有三种[5]：

（一）无限寿命设计，它要求结构件的设计应力低于其疲劳极限，从而具备

无限寿命。对于要求长期安全使用，而且对自重没有严格要求的机械，它是比较

合适的；但对于汽车来说，这种设计方法只适用于汽车上的少数部件，如曲轴、

气缸阀杆等，因为汽车还要考虑制造成本和使用成本的因素。

（二）安全寿命设计，又称有限寿命设计，即只保证结构件在规定的使用期

限内能够安全使用，因此，它允许结构件的工作应力超过其疲劳极限，从而自重

可以减轻，是当前许多机械产品的主导设计准则。安全寿命设计可以根据 S-N 曲

线进行设计，也可以根据ε-N 曲线进行设计，前者称为名义应力有限寿命设计，

后者称为局部应力应变法。汽车上的绝大部分结构件都可以运用安全寿命设计进

行设计。

（三）损伤容限设计，此种方法是由航空工程师制定的。它允许结构中出现

裂纹，但在设计中要采取断裂控制措施，以确保裂纹在使用期内不致扩展到引起

破坏的程度，从而使有裂纹的结构件在其使用期内能够安全使用。它用于裂纹扩

展缓慢而断裂韧度高的材料。

第一章绪论

每种抗疲劳设计方法都有一定的适用范围，并不能一概而论。从目前看，对

于高周疲劳，仍以名义应力法为佳；对于低周疲劳，则局部应力应变法具有相对

的优越性，但只能计算裂纹形成寿命，需要与损伤容限设计结合起来使用；对于

具有初始缺陷或裂纹的零件，应当优先使用损伤容限设计。

对于车辆零部件来说，疲劳过程中裂纹萌生寿命占据主导，零件一萌生裂纹

即不主张继续使用。出于减少材料消耗，降低油耗的考虑，汽车零件的抗疲劳设

计以有限寿命设计法为主。

在结构抗疲劳设计中，主要有两方面的问题，第一是用一定材料制成的零件

的疲劳寿命曲线(S-N 曲线)，一般用常幅加载疲劳试验来得到。第二是该构件的

工作应力谱，就是构件在外部载荷作用下产生的应力时间历程（动态应力响应）。

一般意义下的载荷谱指的就是工作应力谱，因为它可以实际测量出来（如通过电

阻应变片）。外部载荷的时间历程（一般为随机性质）作用在构件上，引起结构的

响应，响应信号一般包括应力、应变、加速度和力（矩）等，响应的时间历程经

过计数处理，如雨流计数等，得到各种形式的累计频次分布，我们称它为“载荷

谱”，作为结构设计和试验的根据，分别叫做设计谱和试验谱。

与载荷谱有关的因素很多，主要有使用情况、运行条件和结构特性三方面，

而这三方面之间也是互相联系的。对车辆零部件来说，使用情况指直线行驶、转

弯、制动、加速、室内运输、建筑工地运输、乡村行驶以及驾驶习惯等等；运行

条件主要指道路情况，路面好坏，弯度，坡度等。

结构特性主要取决于车辆构件和部件的设计和动态性能。在车辆使用情况和

运行条件数据已知的情况下，一台新设计车辆的载荷谱主要就只和车辆本身的设

计数据有关[1]。

§1.2.2 国内外汽车耐久性快速评价技术发展历史及现状

随着国际市场汽车竞争的不断加剧和计算机分析和控制技术的不断提高，国

外从上世纪 60 年代后期开始研究汽车零部件耐久性快速评价技术，因此对于载荷

谱的研究也非常细致深入。

国际上最权威的汽车研究机构美国汽车工程师协会（SAE），他们每年都要发

表许多载荷谱方面的文章[6～9]，早在六十年代他们出版的《零件疲劳设计手册》至

今仍是目前进行汽车部件疲劳耐久性设计和试验的重要参考之一[10]。1963 年由美

国材料试验协会发表的《疲劳试验和疲劳数据的统计分析指南》一书，首创了疲

劳试验的统计研究方法。早在七十年代，美国汽车工程师学会(SAE)就开展了复杂

载荷下疲劳失效的研究。他们从现场跑车中实测了各种零部件的载荷谱，最后从

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摘要在车辆工程领域，传统的基于载荷谱的寿命预估方法仅按照损伤来处理载荷，一般分别应用Miner、修正Miner、Manson双线性及Corter-Dolan累积损伤理论对载荷谱下的疲劳寿命进行估算。然而事实上，估算结果往往比随机载荷谱下的疲劳试验结果偏“安全”，即估算的疲劳寿命比实际疲劳要短。这样往往导致车辆的结构设计过重，不能充分发掘材料的性能。目前，全球都在探讨汽车轻量化的有效方法和途径，但是迄今为止，还没有一款既轻量化又低成本的汽车面世。所以要做到性能和成本的平衡还是很难的。对于我们资源贫乏的现状，强度研究工作者对探索既减重又低成本的汽车结构设计理论和方法负有重要责任，深入研究并掌握载荷...

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