CN103455726A - 车用发动机机械零部件的b10可靠寿命评定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，首先选定要进行B10可靠寿命评定的车用发动机机械零部件，依次确定车用发动机机械零部件所对应车用发动机的任务剖面及载荷作用历程参数、主要失效模式、应力累积分布函数、初始强度的概率密度函数、剩余强度随车辆行驶里程的变化规律等，然后将各参数代入B10可靠寿命模型，即可确定车用发动机机械零部件的B10可靠寿命，不需要依赖于大量的寿命数据，能够在车用发动机机械零部件的设计阶段，确定车用发动机机械零部件的B10可靠寿命，可以更好地指导车用发动机机械零部件的设计、试验、使用，有助于提高车用发动机及其机械零部件的研发效率，缩短研制周期，节约研制成本。

Description

车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法

技术领域

本发明属于车用发动机的可靠性评价与寿命预测方法，具体涉及一种车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法。

背景技术

B10可靠寿命是指可靠度大于0.9时所对应的寿命，是车用发动机及其机械零部件最常用的可靠性度量指标之一。由于受工作剖面随机性、制造工艺不稳定性、材料性能分散性等不确定性因素的影响，车用发动机及其机械零部件的实际使用寿命具有明显的不确定性特征。为准确描述车用发动机及其机械零部件的寿命特征，国外发达国家普遍采用“可靠寿命”这一能够体现不确定性特征的寿命指标来描述发动机及其机械零部件等机械产品的可靠性。例如，美国福特汽车公司推出的“全新6.7LV8涡轮增压柴油机”明确将“B10寿命10年或402250公里”作为首要技术目标。我国在“内燃机工业‘十二五’发展规划”中提出发动机及其零部件要配合整车可靠性要求满足B10可靠寿命指标。

车用发动机属于耐用型机械产品，主要由机械零部件组成，例如，发动机机体、缸盖、曲轴、连杆、凸轮轴、涡轮增压器等都是典型的机械零部件；同时，这些零部件又具有“使用寿命长、可靠性高”的特点。目前，在对车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定时，普遍采用寿命数据统计法，即通过对车用发动机机械零部件的实际使用寿命数据或寿命试验数据的统计分析，获得该零部件的寿命分布模型，然后再确定出该零部件的B10可靠寿命。然后，要得到一个比较准确的车用发动机机械零部件B10可靠寿命评定值，就需要有足够的寿命数据。如果通过寿命试验获得车用发动机机械零部件的寿命数据，这无疑会增加试验成本和试验时间。如果借助车用发动机机械零部件的实际使用寿命数据，则需要较长使用时间才能获得足够的样本量。然而，无论是依赖于实际使用寿命数据还是寿命试验数据，都建立在车用发动机机械零部件已经完成制造的基础上。由于车用发动机机械零部件具有“可靠性高、寿命长”的特点，难以像电子元器件那样在研制阶段通过大量的寿命试验获得足够的寿命数据，因此，寿命数据统计法虽然在理论上适用于车用发动机机械零部件的寿命评价，但是无法在设计阶段及时有效地对车用发动机机械零部件的B10可靠寿命进行评价，难以有效地指导车用发动机机械零部件的设计。

发明内容

本发明针对车用发动机机械零部件在设计阶段的可靠性评价与寿命预测问题，提供一种车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法。该方法能够结合车用发动机的工作剖面，在确定车用发动机机械零部件的载荷历程与失效模式的基础上，根据车用发动机机械零部件的载荷历程、应力、初始强度和强度退化规律等参数，确定出车用发动机机械零部件的B10可靠寿命，能够在设计阶段评定出车用发动机机械零部件的B10可靠寿命。

本发明技术方案：一种车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，包括以下步骤：

a、选定要进行B10可靠寿命评定的车用发动机机械零部件；

b、确定该车用发动机机械零部件所对应车用发动机的任务剖面；

c、确定该车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)，即机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程L的变化参数；

d、确定该车用发动机机械零部件的主要失效模式；

e、确定该车用发动机机械零部件的应力概率累积分布函数F_s(s)；

f、确定该车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)；

g、确定该车用发动机机械零部件剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律；

h、将该车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)、应力概率累积分布函数F_s(s)、初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)、剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律代入车用发动机机械零部件的B10可靠寿命计算模型： ${\∫}_0^{+\∞}{f}_{\mathrm{\δ}}\left(\mathrm{\δ}\right)\exp \left[{\∫}_0^L\mathrm{\λ}\left(L\right)(F_s\left({\mathrm{\δ}}_L\right)-1)\mathrm{dL}\right]\mathrm{d\δ}=0.9,$ 确定出该车用发动机机械零部件的B10可靠寿命。

优选在步骤b中确定车用发动机机械零部件所对应车用发动机的任务剖面时，结合车用发动机所搭载车辆的实际用途，运用试验测试或仿真计算的方法，确定车用发动机的转速和扭矩随车辆行驶里程的变化。

优选在步骤c中，在确定车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)时，对车用发动机机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程的变化进行统计分析，采用泊松随机过程描述车用发动机机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程L的变化规律，并确定出泊松随机过程参数，该泊松随机过程的参数即为车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)。

优选在步骤d中，在确定车用发动机机械零部件主要失效模式时，根据步骤b中确定的车用发动机任务剖面和步骤c中确定的车用发动机机械零部件载荷作用历程，在参考该类型车用发动机机械零部件故障信息的基础上，确定出车用发动机机械零部件在实际工作过程中可能出现的主要失效模式。

优选在步骤e中，在确定车用发动机机械零部件的应力概率累积分布函数F_s(s)时，针对步骤d中确定的失效模式，首先根据步骤c中确定的车用发动机机械零部件载荷作用历程参数λ(L)确定出该车用发动机机械零部件经历50次载荷作用时所对应的行驶里程

公里，然后根据步骤b中确定的车用发动机任务剖面，通过有限元仿真计算的方法针对该车用发动机机械零部件在车辆行驶L₅₀公里内所经历的每一次载荷作用进行应力响应计算，通过对应力的统计分析，确定出车用发动机机械零部件的应力概率累积分布函数F_s(s)。

优选在步骤f中，在确定车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)时，针对步骤d中确定的失效模式，设计能够模拟该车用发动机机械零部件失效模式的试验样件，并加工50个该试验样件，从50个试验样件中随机选取30-35个试验样件进行初始强度测试，通过对测试结果数据进行统计分析，确定出该车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)。

优选在步骤g中，在确定车用发动机机械零部件剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律时，针对步骤d中确定的失效模式，设计并加工能够模拟该车用发动机机械零部件失效模式的试验样件，按照步骤c中确定的该车用发动机机械零部件载荷作用历程对试验样件进行剩余强度测试，通过对试验结果进行分析，确定该车用发动机机械零部件剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律即车用发动机机械零部件剩余强度δ_L与其初始强度δ、车辆行驶里程L之间的数学关系模型。

本发明的有益效果是：

车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，不需要依赖于大量的车用发动机及其零部件的寿命试验数据或实际使用数据，能够在车用发动机机械零部件的设计阶段，结合车用发动机的任务剖面与车用发动机机械零部件的载荷历程，利用车用发动机机械零部件的应力、强度等参数，确定出车用发动机机械零部件的B10可靠寿命，进而对车用发动机机械零部件的可靠性与寿命进行评价。由于该方法能够在设计阶段对车用发动机机械零部件的B1 0可靠寿命进行评价，可以及时地发现和纠正车用发动机机械零部件的可靠性问题，更好地指导车用发动机机械零部件的设计、试验、使用等，并有助于提高车用发动机及其机械零部件的研发效率，缩短研制周期，节约研制成本。

附图说明

图1是车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法流程图。

具体实施方式

一种车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，它包括以下步骤：

a、选定要进行B10可靠寿命评定的车用发动机机械零部件。例如，选定车用发动机的连杆为研究对象，对其进行B10可靠寿命评定。

b、确定该车用发动机机械零部件所对应车用发动机的任务剖面。针对所选定机械零部件所对应的车用发动机，结合该车用发动机所搭载车辆的使用剖面或工作剖面，确定车用发动机的任务剖面。

c、确定该车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)，即机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程L的变化参数。以步骤b中确定的车用发动机任务剖面为基础进行载荷映射，通过统计分析确定出机械零部件在步骤b中确定的发动机任务剖面下工作时的载荷作用历程参数λ(L)。例如，某车用发动机的连杆所经历的载荷作用历程服从参数为λ(L)=60km^-1的泊松随机过程。

优选在步骤c中，在确定车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)时，对车用发动机机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程的变化进行统计分析，采用泊松随机过程描述车用发动机机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程L的变化规律，并确定出泊松随机过程参数，该泊松随机过程的参数即为车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)。

d、确定该车用发动机机械零部件的主要失效模式。结合步骤b确定的车用发动机任务剖面和步骤c中确定的载荷历程，确定出车用发动机机械零部件的主要失效模式。例如，确定某车用发动机连杆的失效模式为疲劳断裂。

e、确定该车用发动机机械零部件的应力概率累积分布函数F_s(s)。结合步骤c确定的车用发动机机械零部件载荷历程与步骤d确定的失效模式，运用仿真计算或试验测试的方法，确定该车用发动机机械零部件在步骤c中确定的载荷历程作用下的应力响应，通过统计分析进一步确定该车用发动机机械零部件应力的概率累积分布函数F_s(s)。例如，某车用发动机连杆的应力服从均值为465MPa、标准差为80MPa的正态分布，其概率累积分布函数F_s(s)为

$F_s\left(s\right)={\∫}_0^{+\∞}\frac{1}{80\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{s-465}{80}\right)}^2]\mathrm{ds}.$

f、确定该车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)。结合步骤d确定的失效模式，确定该确定该车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)。例如，某车用发动机连杆对应疲劳失效模式的初始强度服从均值为850MPa、标准差为65MPa的正态分布，其概率密度函数f_δ(δ)为

$f_{\mathrm{\δ}}\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{1}{65\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\δ}-850}{65}\right)}^2].$

g、确定该车用发动机机械零部件的剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律，例如，某车用发动机连杆的剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律为δ(L)=δ·exp(-0.00000008L)。

h、确定该车用发动机机械零部件的B10可靠寿命。将步骤c、步骤e、步骤f和步骤g中分别确定的载荷作用历程参数λ(L)、应力累积分布函数F_s(s)、初始强度δ₀概率密度函数f_δ(δ)、剩余强度δ_L变化规律等参数，代入车用发动机机械零部件的B10可靠寿命计算模型即公式(1)中，确定出该车用发动机机械零部件的B10可靠寿命。

${\∫}_0^{+\∞}{f}_{\mathrm{\δ}}\left(\mathrm{\δ}\right)\exp \left[{\∫}_0^L\mathrm{\λ}\left(L\right)(F_s\left({\mathrm{\δ}}_L\right)-1)\mathrm{dL}\right]\mathrm{d\δ}=0.9.$

例如，某车用发动机连杆的载荷作用历程服从参数λ(L)=60km^-1的泊松随机过程，失效模式为疲劳断裂，连杆的应力服从均值为465MPa、标准差为80MPa的正态分布，应力的累积分布函数为 $F_s\left(s\right)={\∫}_0^{+\∞}\frac{1}{80\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{s-465}{80}\right)}^2]\mathrm{ds},$ 连杆的初始强度服从均值为850MPa、标准差为65MPa的正态分布，初始强度的概率密度函数为 $f_{\mathrm{\δ}}\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{1}{65\sqrt{2\mathrm{\π}}}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\mathrm{\δ}-850}{65}\right)}^2],$ 连杆的强度退化规律为δ(L)=δ.exp(-0.00000008L)。将连杆的载荷作用历程、应力、初始强度、剩余强度变化规律参数代入公式 ${\∫}_0^{+\∞}{f}_{\mathrm{\δ}}\left(\mathrm{\δ}\right)\exp \left[{\∫}_0^L\mathrm{\λ}\left(L\right)(F_s\left({\mathrm{\δ}}_L\right)-1)\mathrm{dL}\right]\mathrm{d\δ}=0.9,$ 便可以计算得到该车用发动机连杆的B10可靠寿命L_B10为43.2万公里。

Claims (7)

1.一种车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，包括以下步骤：

a、选定要进行B10可靠寿命评定的车用发动机机械零部件；

b、确定该车用发动机机械零部件所对应车用发动机的任务剖面；

c、确定该车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)，即机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程L的变化参数；

d、确定该车用发动机机械零部件的主要失效模式；

e、确定该车用发动机机械零部件的应力概率累积分布函数F_s(s)；

f、确定该车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)；

g、确定该车用发动机机械零部件剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律；

h、将该车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)、应力概率累积分布函数F_s(s)、初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)、剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律代入车用发动机机械零部件的B10可靠寿命计算模型： ${\∫}_0^{+\∞}{f}_{\mathrm{\δ}}\left(\mathrm{\δ}\right)\exp \left[{\∫}_0^L\mathrm{\λ}\left(L\right)(F_s\left({\mathrm{\δ}}_L\right)-1)\mathrm{dL}\right]\mathrm{d\δ}=0.9,$ 确定出该车用发动机机械零部件的B10可靠寿命。

2.根据权利要求1所述的车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，其特征在于：在步骤b中确定车用发动机机械零部件所对应车用发动机的任务剖面时，结合车用发动机所搭载车辆的实际用途，运用试验测试或仿真计算的方法，确定车用发动机的转速和扭矩随车辆行驶里程的变化。

3.根据权利要求1所述的车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，其特征在于：在步骤c中，在确定车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)时，对车用发动机机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程的变化进行统计分析，采用泊松随机过程描述车用发动机机械零部件经历的载荷作用次数随车辆行驶里程L的变化规律，并确定出泊松随机过程参数，该泊松随机过程的参数即为车用发动机机械零部件的载荷作用历程参数λ(L)。

4.根据权利要求1所述的车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，其特征在于：在步骤d中，在确定车用发动机机械零部件主要失效模式时，根据步骤b中确定的车用发动机任务剖面和步骤c中确定的车用发动机机械零部件载荷作用历程，在参考该类型车用发动机机械零部件故障信息的基础上，确定出车用发动机机械零部件在实际工作过程中可能出现的主要失效模式。

5.根据权利要求1所述的车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，其特征在于：在步骤e中，在确定车用发动机机械零部件的应力概率累积分布函数F_s(s)时，针对步骤d中确定的失效模式，首先根据步骤c中确定的车用发动机机械零部件载荷作用历程参数λ(L)确定出该车用发动机机械零部件经历50次载荷作用时所对应的行驶里程

公里，然后根据步骤b中确定的车用发动机任务剖面，通过有限元仿真计算的方法针对该车用发动机机械零部件在车辆行驶L₅₀公里内所经历的每一次载荷作用进行应力响应计算，通过对应力的统计分析，确定出车用发动机机械零部件的应力概率累积分布函数F_s(s)。

6.根据权利要求1所述的车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，其特征在于：在步骤f中，在确定车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)时，针对步骤d中确定的失效模式，设计能够模拟该车用发动机机械零部件失效模式的试验样件，并加工50个该试验样件，从50个试验样件中随机选取30-35个试验样件进行初始强度测试，通过对测试结果数据进行统计分析，确定出该车用发动机机械零部件初始强度δ的概率密度函数f_δ(δ)。

7.根据权利要求1所述的车用发动机机械零部件的B10可靠寿命评定方法，其特征在于：在步骤g中，在确定车用发动机机械零部件剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律时，针对步骤d中确定的失效模式，设计并加工能够模拟该车用发动机机械零部件失效模式的试验样件，按照步骤c中确定的该车用发动机机械零部件载荷作用历程对试验样件进行剩余强度测试，通过对试验结果进行分析，确定该车用发动机机械零部件剩余强度δ_L随车辆行驶里程L的变化规律即车用发动机机械零部件剩余强度δ_L与其初始强度δ、车辆行驶里程L之间的数学关系模型。

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