CN104515685A - 基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法 - Google Patents

Abstract

一种基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法包括：获取工件的应力集中位置；于应力集中位置选择多个测点，测量工件在试车场典型路面的应变载荷；对测量的载荷谱进行分析，获得各级载荷的频次分布情况；采用工件材料标准S-N曲线，并选用线性累积损伤法则对各测点进行损伤分析比较，通过对比分析得到其中相对损伤最大的一个考核点；以及基于所述考核点，对工件材料的标准S-N曲线进行修正，估算出工件的S-N曲线，根据工件的S-N曲线建立工件的疲劳寿命预估模型，结合工件的S-N曲线建立工件的耐久性评价指标。

Description

基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法

技术领域

本发明涉及汽车零件的耐久性评价方法。

背景技术

随着国外汽车行业领域的快速发展，加快了产品更新换代。这就需要汽车公司缩短产品开发周期，特别是在产品研发的后期设计阶段，需要制定加速产品的验证的方法，即耐久性快速评价技术。

目前汽车整车和零部件的耐久性评价技术的薄弱长期制约着国内整车开发的水平。汽车的耐久性评价主要通过实车道路试验和室内台架试验完成，后者基于道路载荷模拟技术的发展。而随着汽车市场竞争的不断加剧，为缩短产品的开发周期、降低开发成本，耐久性快速评价技术已成为国外主要整车及零部件企业进行产品验证的主要手段。然而，由于技术基础薄弱，我国整车及零部件企业一直缺少自主的耐久性评价方法和手段，特别是基于软件和硬件相结合的汽车零部件耐久性评价方法，这类评价方法开发技术在国内应用基本是空白。这严重制约了我国汽车产业的发展，降低了我国汽车企业的竞争力。因此，迫切需要提高我国自主品牌汽车公司的快速评价能力，以满足日益增加的新产品开发需求，整车开发水平，提升竞争能力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法，以实现快速合理有效地评价汽车零部件的耐久性。

本发明的基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法，其中，包括

步骤A，获取工件的应力集中位置；

步骤B，于应力集中位置选择多个测点，测量工件在试车场典型路面的应变载荷；

步骤C，对测量的载荷谱进行分析，获得各级载荷的频次分布情况；

步骤D，采用工件材料标准S-N曲线，并选用线性累积损伤法则对各测点进行损伤分析比较，通过对比分析得到其中相对损伤最大的一个考核点；以及

步骤E，基于所述考核点，对工件材料的标准S-N曲线进行修正，估算出工件的S-N曲线，根据工件的S-N曲线建立工件的疲劳寿命预估模型，结合工件的S-N曲线建立工件的耐久性评价指标。

所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其中，在步骤B中，于所述多个测点分别粘贴应变片传感器，以获得各测点的载荷谱。

所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其中，在步骤E中，通过可靠性50%水平系数、载荷系数、表面系数、尺寸系数、应力集中系数对材料的S-N曲线进行修正，估算出工件的S-N曲线。

所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其中，在步骤E中，在1、10³、10⁶次循环时的疲劳强度值定义一条S-N曲线，在此基础上近似得出在10³次循环时和在疲劳极限寿命时的疲劳强度，然后对这些强度值进行修正，根据载荷系数、表面质量系数、尺寸系数、可靠性水平系数、应力集中系数来估算零件的疲劳极限Se，疲劳寿命估算系数取值为：

可靠性50%水平系数（C_R）—1

载荷系数(C_L)—0.72

表面质量系数(C_S)—0.85

尺寸系数(C_D)—0.58

应力集中系数（K_t）—1.14

10³次循环时的疲劳强度取决于可靠性的水平和加载类型，加载方式主要考虑以扭转方向，则：

S₁₀₀₀,_R=S₁₀₀₀×C_R（1-1）

$S_e=\frac{S_{\mathrm{be}}\×C_R\×C_L\×C_S\×C_D}{K_t}---(1-2)$

式中：S₁₀₀₀=0.72σ_b，弯曲疲劳极限^S _be=0.47σ_b，根据公式（1-1）、（1-2）拟合出零件的S-N曲线。

所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其中，还包括步骤F，通过对实测载荷谱外推到目标寿命，对比分析外推后的载荷谱累积频率分布图，根据外推载荷谱累积频率分布图，将零件疲劳极限的一半的小载荷以下的循环作为过滤门槛值，进一步验证试件寿命预测的准确性。

所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其中，还包括步骤G，通过室内道路模拟试验、实车试验验证基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法的准确性，通过研究试车场与用户的里程数的当量关系、用户一年的平均里程以及整车设计寿命建立实测载荷谱的外推模型，进一步验证扭转梁后桥耐久性评价方法的准确性。

本发明为提高扭转梁后桥寿命预测的速度和精度，为实车试验和室内模拟试验提供了可靠的依据。

附图说明

图1是本发明实施例中基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法的流程图。

图2是后桥的有限元模型的示意图。

图3是试车场采集典型路面的载荷谱的示意图。

图4是标准S-N曲线的示意图。

图5是拟合得到的工件S-N曲线的示意图。

图6是对试车场实测的载荷谱进行外推前、后的载荷谱累积频率分布图。

图7是过滤门槛值的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，虽然后述内容给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限下述的实施范例。

结合图1，在步骤一中，采用CAE分析软件建立后桥（如图2所示）有限元模型，并通过加速、制动、转向、扭转等典型工况下的有限元分析，以典型工况下后桥的危险部位结合试验经验，确定了后桥应变载荷的测量位置。即应用CAE有限元分析的方法模拟汽车后桥在整车中的受力情况，并根据CAE计算的应力云图以及受力方向，确定其危险部位，获得扭转梁后桥的应变力集中位置，即危险截面位置。

在步骤二中，在确定的测量点上粘贴应变片传感器，然后在试车场采集典型路面的载荷谱（如图3所示，交变载荷的波形图，横轴为时间，纵轴为应力幅度，采集时间是试车场SVP典型路面的1个循环，大约960s）。

在步骤三中，通过对测量的载荷谱进行统计和雨流矩阵分析，获得其各级载荷的累积频次分布情况，根据累积频次分布图对实测载荷谱进行编辑，提高各通道损伤比对的准确度。

在步骤四中，如图4所示，采用标准S-N曲线（过点10³,10⁷的斜率为5的曲线）对获得各测点的载荷谱进行损伤计算，并选用线性累积损伤法则对各测点进行损伤分析比较，通过对比分析得到其中相对损伤最大一个测点，最大测点作为下一步建立寿命预估模型提供准确的依据，得到其损伤比对结果。

在步骤五中，通过可靠性50%水平系数、载荷系数、表面系数、尺寸系数、应力集中系数对材料的S-N曲线进行修正，估算出零件的S-N曲线。根据计算得到的零件S-N曲线建立扭转梁后桥的疲劳寿命预估模型，结合零件的S-N曲线建立扭转梁后桥的耐久性评价指标。此方法是在1、10³、10⁶次循环时的疲劳强度值定义一条S-N曲线。因此可以在此基础上近似得出在10³次循环时和在疲劳极限寿命时的疲劳强度。然后对这些强度值进行修正，根据载荷系数、表面质量系数、尺寸系数、可靠性水平系数、应力集中系数来估算零件的疲劳极限S_e。疲劳寿命估算系数取值为：

可靠性50%水平系数（C_R）—1

载荷系数(C_L)—0.72

表面质量系数(C_S)—0.85

尺寸系数(C_D)—0.58

应力集中系数（K_t）—1.14（根据提供材料的应力集中系数为1.1～1.2）

10³次循环时的疲劳强度取决于可靠性的水平和加载类型，由于零部件是扭转梁，因此加载方式主要考虑以扭转方向。则：

S₁₀₀₀,_R=S₁₀₀₀×C_R（1-1）

$S_e=\frac{S_{\mathrm{be}}\×C_R\×C_L\×C_S\×C_D}{K_t}---(1-2)$

式中：S₁₀₀₀=0.72σ_b，弯曲疲劳极限S_be=0.47σ_b。根据公式（1-1）、（1-2）可以拟合出零件的S-N曲线（如图5所示，可以借助于最小二乘法进行拟合，拟合的公式：LgN=C-K*LgS；S-应力；N-在某一级应力下失效的循环次数）。通过采用零件的S-N曲线得到1个循环的损伤D₁=0.0021504，即试件寿命465次。

在步骤六中，为了验证耐久性评价指标的可靠性，对试车场实测的载荷谱进行外推，建立准确的推模型，并确立载荷谱外推系数的大小。根据用户一年的平均行驶里程调研数据，并结合试车场与用户道路之间当量关系，得到用户一年行驶里程数当量于试车场行驶里程数，以此作为载荷谱外推的目标里程数，从而确定了载荷谱外推系数的大小。在发明人的一研究实例中，根据调查用户平均一年的行驶里程数是15000kM，当量试车场行驶里程数705kM。试车场SVP典型路面实测里程数32kM，外推22倍到试车场行驶里程数705kM（当量用户平均一年的行驶里程数）。但整车设计使用寿命300000kM，当量试车场行驶里程数14500kM，外推452倍到目标寿命，即外推目标寿命是452次，理论估算寿命是465次，理论估算的寿命与外推目标寿命误差为2.8%。外推后载荷谱累积频率分布图(如图6所示，纵轴为应力，横轴为循环次数，左边的曲线为外推前的分布曲线，右边的曲线为外推后的分布曲线)。

通过对实测载荷谱外推到目标寿命，对比分析外推后的载荷谱累积频率分布图，根据外推载荷谱累积频率分布图，需要删除一些小载荷，将零件疲劳极限的一半的小载荷以下的循环作为过滤门槛值，进一步验证试件寿命预测的准确性。根据上述1-2式中计算零件的疲劳极限Se，零件的疲劳极限Se/2作为过滤门槛值（图7所示，纵轴为应力，横轴为循环次数）。

在步骤七中，根据制定的试验规范进行三根样件进行室内道路模拟试验和试车场实车试验，三根试件的台架模拟实际平均寿命次数为491次循环，其试车场实车试验为483次循环。基于理论预估寿命，后桥可以完成的循环数为465个循环，二者与理论估算的寿命误差仅为5.6％、3.8%。根据理论估算的寿命，制定其台架试验和试车场实车试验，通过室内道路模拟试验三根试件的实际平均寿命次数为491次循环，另外试车场实车试验为483次循环，理论预测预测寿命后桥可以完成的循环数为465个循环，理论估算的寿命与室内模拟试验和实车试验寿命误差仅为5.6％、3.8%。

Claims (6)

1.基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法，其特征在于，包括

步骤A，获取工件的应力集中位置；

步骤B，于应力集中位置选择多个测点，测量工件在试车场典型路面的应变载荷；

步骤C，对测量的载荷谱进行分析，获得各级载荷的频次分布情况；

步骤D，采用工件材料标准S-N曲线，并选用线性累积损伤法则对各测点进行损伤分析比较，通过对比分析得到其中相对损伤最大的一个考核点；以及

步骤E，基于所述考核点，对工件材料的标准S-N曲线进行修正，估算出工件的S-N曲线，根据工件的S-N曲线建立工件的疲劳寿命预估模型，结合工件的S-N曲线建立工件的耐久性评价指标。

2.如权利要求1所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其特征在于，在步骤B中，于所述多个测点分别粘贴应变片传感器，以获得各测点的载荷谱。

3.如权利要求1所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其特征在于，在步骤E中，通过可靠性50%水平系数、载荷系数、表面系数、尺寸系数、应力集中系数对材料的S-N曲线进行修正，估算出工件的S-N曲线。

4.如权利要求3所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其特征在于，在步骤E中，在1、10³、10⁶次循环时的疲劳强度值定义一条S-N曲线，在此基础上近似得出在10³次循环时和在疲劳极限寿命时的疲劳强度，然后对这些强度值进行修正，根据载荷系数、表面质量系数、尺寸系数、可靠性水平系数、应力集中系数来估算零件的疲劳极限Se，疲劳寿命估算系数取值为：

可靠性50%水平系数（C_R）—1

载荷系数(C_L)—0.72

表面质量系数(C_S)—0.85

尺寸系数(C_D)—0.58

应力集中系数（K_t）—1.14

10³次循环时的疲劳强度取决于可靠性的水平和加载类型，加载方式主要考虑以扭转方向，则：

S₁₀₀₀,_R=S₁₀₀₀×C_R（1-1）

$S_e=\frac{S_{\mathrm{be}}\×C_R\×C_L\×C_S\×C_D}{K_t}---(1-2)$

式中：S₁₀₀₀=0^.72σ_b，弯曲疲劳极限S_be=0.47σ_b，根据公式（1-1）、（1-2）拟合出零件的S-N曲线。

5.如权利要求1所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其特征在于，还包括步骤F，通过对实测载荷谱外推到目标寿命，对比分析外推后的载荷谱累积频率分布图，根据外推载荷谱累积频率分布图，将零件疲劳极限的一半的小载荷以下的循环作为过滤门槛值，进一步验证试件寿命预测的准确性。

6.如权利要求1所述的扭转梁后桥耐久性评价方法，其特征在于，还包括步骤G，通过室内道路模拟试验、实车试验验证基于道路载荷的扭转梁后桥耐久性评价方法的准确性，通过研究试车场与用户的里程数的当量关系、用户一年的平均里程以及整车设计寿命建立实测载荷谱的外推模型，进一步验证扭转梁后桥耐久性评价方法的准确性。