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汽车试验：汽车疲劳损伤理论及台架耐久介绍
2020-11-03 23:01:06· 来源：天津汽车研究所 作者：李建澎
汽车耐久性作为车辆产品主要性能指标之一，直接影响车辆的安全性、可靠性。实际道路试验、试验场试验、台架试验是耐久试验的主要考核方法。台架试验由于试验周期
汽车耐久性作为车辆产品主要性能指标之一，直接影响车辆的安全性、可靠性。实际道路试验、试验场试验、台架试验是耐久试验的主要考核方法。台架试验由于试验周期短、成本较低的优势，越来越受到车企的重视。在此，主要对结构件台架耐久试验和相关疲劳理论做简单介绍。
汽车在行驶时，会受到随时间变化的动态随机载荷。在载荷的作用下，汽车的许多零部件会引起疲劳损伤，破坏形式通常是疲劳断裂。
1.S-N曲线
疲劳问题最早在19世纪初提出。德国工程师Wöhler通过对疲劳损伤问题进行系统的研究，提出了疲劳寿命与循环应力的关系，并确定应力幅是疲劳破坏的决定因素。在1871年，他提出了利用应力-寿命（S-N）曲线来分析疲劳问题的方法，为工程结构疲劳的研究奠定了理论基础。
Wöhler
零件的疲劳损伤是一个复杂的过程。通常可以分为三个阶段：
· 裂纹初始；
· 裂纹扩展；
· 断裂失效。
对于外形和材料分布比较均匀的零部件来说，局部变形通常是从表面应力集中区域开始。随着加载循环次数的增加，零件的裂纹长度随之增加。达到一定循环次数之后，裂纹将导致零件失效。
金属材料通常存在一个临界的最大应力，低于此应力进行循环加载时，材料永远不会发生破坏，这个应力称为疲劳极限，也称疲劳强度。当载荷大于疲劳极限时，材料会出现疲劳破坏。疲劳试验采用循环周期载荷进行加载，用不同的载荷或应力幅值与其对应的失效次数来表达，这就是S-N曲线。
S-N曲线
由图可知，在曲线上点应力S越小，试验的次数越多，也就是材料的疲劳寿命越长；当输入的载荷产生的应力小到一个特定值时，寿命N趋于无穷大，应力S的极限值Sf，称为材料的疲劳极限。在疲劳极限以下，载荷周期即使很长也不会引起零部件失效。
2.循环计数法
在工程实际中，为了便于疲劳可靠性分析，需要对随机载荷进行分析和描述，将随机载荷的时间历程转化成为一系列循环的方法，称为“循环计数法”。计数法可以分为单参数循环计数法和双参数循环计数法两大类。
单参数循环计数法主要有波峰-波谷、幅度穿越和区间计数等方法，使用较少，更常用的是双参数计数法。
属于双参数计数法的主要有雨流计数法、变程-对均值计数法等，其中雨流计数法在疲劳寿命分析和疲劳设计、试验中应用最为广泛，最终得到的疲劳分析精确度也较高。
1968年，松石（Matsuishi）和恩杜（Endo）通过模拟雨滴落到塔顶和从塔顶边缘落下的过程，最早提出了雨流计数法。雨流计数法适用于以典型载荷谱段为基础的重复历程。
雨流计数法
3.Miner准则
疲劳损伤理论可归结为两个大类：线性损伤理论和非线性损伤理论。其中线性损失理论主要是Miner准则、修正Miner 法则及相对Miner法则，非线性损伤累积理论主要有Manson 双线性累积理论、Corten-Dolan理论等。其中，Miner准则最为简单和应用最为广泛。在此对Miner准则及其相关理论做一个详细介绍。
线性累积损伤理论是当前预测疲劳寿命的重要工具。假设车辆在某段实际运行载荷中，某载荷幅值出现的次数为n1，其零件S-N曲线中，同载荷幅值对应的循环次数为N1，则这段运行信号中这种载荷对零件的损伤D= n1/N1。以此为基础，零件在应力水平Si下作用ni次循环下的损伤为Di=ni/Ni，若在k个应力水平Si作用下，各经受ni次循环，则可定义其总损伤为：
线性累计损伤
当D=1，即损伤值进行相加求和等于1时，就可认为零部件出现了失效。
4.台架耐久试验
最常见的台架耐久试验是固定幅值加载。通过工装夹具将试验样件与作动器连接，以正弦波的载荷形式对试件施加固定次数的循环载荷，或直至试件破坏。
底盘件台架耐久试验
随着试验方法的不断进步，逐渐发展出一种加速试验方法——多级载荷输入（BlockCycle Loading）。它的基本思路是首先去除小的载荷信号，然后对载荷范围进行分级统计，并且用近似材料属性进行损伤估计，利用前3～4级载荷范围和次数确定多级载荷的范围和次数。再利用前面用过的材料属性计算此多级载荷的损伤，并根据前后损伤的比值对多级载荷谱的长度进行增减。具体流程如下图所示：
原始载荷谱删除小载荷分级统计
生成多级载荷谱统计图数据
不论固定幅值加载还是多级载荷输入，都不考虑频率信息，适合对单一零部件进行单轴加载。如果要对总成和整车进行疲劳耐久考核，通常使用多轴输入的试验台架。常用的有四通道道路模拟试验台、整车24通道道路模拟试验台和多轴振动台(MAST。
四通道道路模拟试验台也称为四立柱，通过四个垂向作动器进行载荷输入，运用道路模拟试验技术真实模拟再现整车道路行驶工况和路面特征。可以全面考核车身、内外饰、电子电气、动力总成等系统结构的耐久性能，并能够快速而全面的发现整车各类异响干涉问题，极大提高整车可靠性开发效率和速度。
四通道道路模拟试验台
整车24通道道路模拟试验台同样运用道路模拟试验技术，采用轴耦合的形式，为试验车同时提供6个自由度（垂直、水平、侧向、外倾、转向、制动）的输入，实现试车场道路载荷的力和位移模拟驱动，复现各种试车场路面、驾驶操纵事件，可达到原道路90%以上的损伤值。整车24通道试验台可针对整车底盘和车身结构件进行较为快速、全面的考核，在整车耐久试验的应用中越来越普遍。
整车24通道道路模拟试验台
多轴振动台（MAST）适用于动力总成悬置系统、仪表台、座椅、散热器等的耐久试验，通过复现被测系统在试验场的位移或加速度信号完成考核。它包含一个振动台面和若干作动器，可实现台面六个自由度的运动。例如座椅试验，首先采集座椅在车辆实际运行状态下的各向加速度信号，然后将这些加速度信号作为目标在试验台上迭代重现，从而完成耐久考核。
多轴振动台
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