从名义应力法来归纳制定台架加速试验方案时所应关注的要点

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对于汽车耐久性工程中开展的各类试验可以有很多不同的分类，其中一个有益的分类是将试验分为“特性试验”（Characterizing Tests）和“验证性试验”（Verification Tests）。

特性试验的目的是获得材料或者零部件某种特性，比如说强度试验、疲劳极限测定试验等，都可以划归特性试验的范畴，其目的不外乎对于设计进行验证、或某种优化改进，或者比较材料或者零部件某方面的特性。
验证性试验的首要目的是试图发现结构的一些尚未被发觉的弱点，从而最大可能的确保我们所设计和制造的产品是耐久的和可靠的，这就需要依据结构在实际使用环境下经受的载荷合理的编制试验剧本——加速试验方案，从而让依据这些加速试验方案开展的台架试验，能够对于结构在实际环境和工况下经受的损伤具有代表性。因此，一言以蔽之：耐久性工程验证性试验中台架加速试验方案的编制，其实质是损伤相似性的构建。只有建立在这种损伤相似性前提和基础上的台架加速试验方案，才能在试验结束之后对于产品是否“放行”进行明确的决策，并且这种决策才可以确保和关联到产品的耐久性和可靠性。

我们在论坛中通过《运用名义应力法进行高周疲劳寿命评估的基本原理及其基于TecWare Falance求解器的实现》1和《在名义应力法框架下对结构在复杂载荷作用下多轴疲劳寿命评估问题的工程解决方案及其实现》2两篇文章，对于高周疲劳范畴内、如何通过名义应力法对金属结构的疲劳损伤和寿命进行评估进行了综述性的介绍。疲劳损伤评估在某种程度上可以说是对于结构疲劳损伤最全面和细致的量化，因此，对于高周疲劳问题而言，这两篇文章基本综述性的汇集和捋顺了在进行“损伤相似性构建”过程中所需要考虑到的所有因素。因此，我们首先基于这两篇文章（没有阅读过这两篇文章的读者建议先读一下论坛中的这两篇文章1-2再阅读本文），将损伤相似性构建过程中所要考虑到的全部因素分门别类的汇总到下表1，然后基于这个表来理清这样一个问题：我们在面对不同的试验台架来合理制定加速试验方案的过程中，需要关注和考虑到哪些因素？或者这里面隐含和潜藏着一个更加基本的前提式问题：我们在实施结构耐久性验证性试验的时候，应该选择什么样的台架？应该如何确定台架方案？这对于我们接下来的几篇文章聚焦于“台架加速试验”这一主题是重要和有益的第一步。

表1 高周疲劳范畴内影响结构疲劳损伤的因素汇总


我们由采用名义应力法进行高周疲劳寿命评估的两篇文章出发，将影响在高周疲劳范畴内对于金属结构进行疲劳损伤评估和量化的因素罗列出来，汇总与表1。我们将全部因素分为三大类：分别涉及几何、材料和载荷三个类别。

与几何相关的主要是缺口因素。我们知道1，缺口会使得结构局部的应力或应变陡增，形成应力集中，恶化结构的抗疲劳能力。我们需要通过疲劳缺口系数 来将缺口因素进行量化，从而用基于光滑试件的S-N曲线来对于缺口结构件的疲劳损伤进行评估。

S-N曲线是采用名义应力法对结构进行高周疲劳损伤评估的基础材料参数，对于某一具体的金属结构在高周疲劳范围内进行疲劳损伤评估，首先要具有涉及到的相关金属材料的S-N曲线，，从而在载荷和损伤（或寿命）之间建立数量上的联系。

尺寸效应和表面质量因素同属于材料因素，分别通过尺寸系数和表面质量系数将这两个因素进行具体的量化。

一般来说，在条件允许的情况下，我们一般要把测试对象“原原本本”的放到台架上去进行试验。所谓“原原本本”：是指把原始尺寸（而不是缩比模型）的试件放到台架上去；是指把几何形状、包括所有的缺口细节都一样的试件放到台架上去；是指把使用的材料、加工工艺完全一样的“原汁原味”的试件放到台架上去。换句话说：是从生产流水线上抽一件产品原原本本的放到台架上去。这样就可以自然而然的保证：

·  对于各个缺口局部进行疲劳损伤计算时牵扯到的都是一样的

·  涉及到的材料都是一样的，因此，牵扯到的S-N曲线都是一样的

·  由于采用了原型试验，不牵扯到缩比模型的问题，因此牵扯到的都是一样的

·  由于采用的加工工艺都是一样的，因此与真实结构件相比，试验件的表面粗糙度、表面组织结构（是否渗碳、渗氮等）、表面残余应力都是一样的，因此牵扯到的都是一样的

这样，我们再来看一下单轴载荷作用下，对于结构在高周范围内进行疲劳损伤评估时，将光滑试验件的疲劳极限修正为结构件（含缺口）疲劳极限的关系式1：

由于是相同的（因为如前所述，涉及到的S-N曲线是相同的），、和也是相同的，因此，只要载荷系数也相同，将确保也相同，而只要载荷方面其它影响疲劳损伤的因素再被照顾到，将确保损伤的高度相似性！

因此，在不涉及高温的情况下，只要将现实中的真实结构件“原原本本”的放到台架上去实施耐久性台架试验，在追求损伤相似性的道路上就只需要关注载荷方面的因素，这些因素无外乎：载荷是单轴的还是多轴的？载荷的幅度多大？平均值多大？是恒幅载荷还是变幅载荷？载荷引起结构的惯性效应是否可以忽略（频率因素）？

在车辆耐久性试验中，需要进行的验证性试验的对象很广，整车、系统、零部件都可以作为试验的对象，而这些对象在实际工况中所承受的载荷各不相同。有的可以近似的认为所承受的是单轴载荷，有的如果尊重事实的话必须承认和面对所承受的是多轴载荷；有的结构在载荷作用下惯性效应可以忽略，有的结构在宽频载荷作用下惯性效应不能忽略。因此，面对这些不同的测试对象、所承受载荷的不同特点和形式，在追求和确保试验过程中的损伤相似性时，可以有针对性的采取不同的策略，甚至需要选用不同的台架。这些，将构成接下来一系列围绕台架加速试验进行讨论的文章的主题。

在这篇文章的最后，我们回头再总结一下：

1. 在台架试验过程中但凡要对加速试验方案进行细致讨论和精心编制的，一般来说属于验证性试验的范畴，因此对于损伤相似性有要求和追求；

2. 除非万不得已，一般最好是从生产流水线上抽出一件产品“原原本本”的放到台架上作为测试对象，这样，在制定加速试验方案的时候，所有的关注点集中于载荷，否则，会让本就已经很复杂的问题变得更加艰巨；

3. 本篇文章在回避高温的问题，接下来的几篇讨论台架加速试验的文章也同样会回避高温的问题，原因很简单：这个问题太难了。一个有益的思路是：如果所讨论的结构工作温度明显高于室温，那么，需要判断所在工作温度区间是否会使得材料的稳定性开始恶化。如果答案是否定的，那么也许还是幸运的，一些适用于常温下台架加速试验的思路和方法也许还可以加以借鉴；如果答案是肯定的，那么，所面临的将是疲劳研究领域非常艰难的一个话题：疲劳与蠕变交互作用时材料和结构的疲劳寿命评估问题。这一问题解决的水平将直接影响（比如说）航空发动机涡轮风扇轮盘、叶片等高温部件和结构的设计。航空发动机之所以被称为传统制造业皇冠上的明珠，还是有原因的。



参考文献
1. 李旭东，《来源于西门子工业软运用名义应力法进行高周疲劳寿命评估的基本原理及其基于TecWareFalance求解器的实现》，耐久论坛，2020.5.10.
2. 李旭东，《在名义应力法框架下对结构在复杂载荷作用下多轴疲劳寿命评估问题的工程解决方案及其实现》，耐久论坛，2020.6.14.

作者简介
李旭东，2003年6月毕业于大连理工大学机械工程学院，获工学学士学位；2008年6月毕业于北京大学力学系固体力学专业，获理学博士学位。2008年6月至2014年12月，就职于中国航空综合技术研究所，历任工程师、高级工程师；2015年1月至2021年2月，就职于西门子工业软件（北京）有限公司，任职耐久性应用工程师；2021年3月至今，就职于中汽研汽车检验中心（天津）有限公司底盘试验研究部耐久室，任整车耐久性能中国工况项目总监。2020年1月至今，被北京理工大学机械与车辆学院聘为兼职研究生导师。长期专注于（金属）材料和结构耐久性和损伤容限分析方法研究。