CN115219216A - 一种排气系统的寿命评价方法 - Google Patents

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CN115219216A CN202110417559.4A CN202110417559A CN115219216A CN 115219216 A CN115219216 A CN 115219216A CN 202110417559 A CN202110417559 A CN 202110417559A CN 115219216 A CN115219216 A CN 115219216A
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曾志新
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Abstract

本发明提供一种排气系统的寿命评价方法，包括以下步骤：对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验，拟合出具备设定置信度和设定可靠度的结构寿命曲线；进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱；根据得到的结构寿命曲线和交变载荷谱计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值；比较结构损伤值与结构损伤阈值的关系，若结构损伤值大于结构损伤阈值，寿命评价不通过，所结构损伤值小于或等于结构损伤阈值，寿命评价通过。该方法能够提升产品可靠度，降低产品的失效可能。

Description

一种排气系统的寿命评价方法
技术领域
本发明涉及排气系统的寿命检测技术领域，具体说是一种排气系统的寿命评价方法。
背景技术
排气系统是内燃机汽车的重要组成部分，负责废气排放和降噪的作用。排气系统的工作环境十分恶劣复杂，既承受高温高压气流的冲击，也承受发动机的传递振动激励和底盘系统的路面振动激励，此外，发动机牵引工况及路况的频繁变化，还使排气系统需承受交变载荷造成的疲劳应力影响。
因此，排气系统的耐久性评价是排气系统开发的关键环节之一，排气系统的疲劳失效将造成发动机高温燃气泄漏，轻则影响发动机性能或致使排气系统脱落，重则造成火灾事故。
现有的耐久性评价方法多为可靠度验证，将排气系统搭载整车或搭载发动机台架进行耐久可靠度验证。该方案的缺点在于仅能作为可靠度功能验证，并不能做疲劳考核和寿命评价。即使排气系统通过整车耐久考核，但是整车和台架耐久也有一定的局限性，不能准确的进行疲劳考核和寿命评价。虽然排气系统通过了整车耐久考核，但其零件的疲劳损伤、残留寿命和安全阈值是从整车耐久考核结果中无法得知的，也由此，仍存在着通过了整车耐久考核的排气系统在实际用车的某些极端工况中存在零件失效的安全隐患。
发明内容
本发明提供一种排气系统的寿命评价方法，包括以下步骤：
对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验，拟合出具备设定置信度和设定可靠度的结构寿命曲线；
进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱；
根据得到的结构寿命曲线和交变载荷谱计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值；
比较结构损伤值与结构损伤阈值的关系，若结构损伤值大于结构损伤阈值，寿命评价不通过，所结构损伤值小于或等于结构损伤阈值，寿命评价通过。
可选地，所述结构损伤值阈值通过以下步骤获得：
提取静态载荷工况；
根据排气系统结构及材料进行有限元建模，进行有限元网格划分及模型搭建；
基于所述静态载荷工况和所述有限元建模计算排气系统关键结构部位的应力值，根据得到的应力值与预判标准之间的关系，判断是否需要重新进行排气系统的结构设计；
对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验，拟合出具备设定置信度和设定可靠度的结构寿命曲线；
进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱；
根据得到的结构寿命曲线和交变载荷谱计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值；
根据所述结构损伤值，计算所述排气系统关键结构部位的残留寿命百分比和安全阈值；
根据残留寿命百分比和安全阈值，计算排气系统关键部位的寿命值；
比较排气系统关键部位的寿命值与目标寿命之间的关系，若排气系统关键部位的寿命值大于或等于目标寿命，则将所述结构损伤值设为结构损伤阈值，否则重新进行排气系统结构的设计。
可选地，所述静态载荷工况包括1G载荷工况和/或4G载荷工况和/或消声器进出口100Nm载荷工况和/或发动机正负摆角工况。
可选地，所述排气系统关键结构部位包括消声器进出气焊接部位、挂钩焊接部位和法兰焊接位置。
可选地，进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱的步骤中，所述消声器进出气焊接部位和所述法兰焊接位置承受弯矩值载荷，所述挂钩焊接部位承受竖直方向力值载荷。
可选地，对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验时进行的操作包括：排气系统不置于整车或台架中，单独在高周疲劳条件下进行疲劳耐久试验。
可选地，对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验时进行的操作包括：使排气系统置于第一载荷情形，以第一寿命次数进行试验，使排气系统置于第二载荷情形，以第二寿命次数进行试验，所述第二寿命次数至少为第一寿命次数的5～26倍，所述第二载荷情形中的各载荷数值低于所述第一载荷情形中的各载荷数值。
可选地，所述第一寿命次数为3～10万次，所述第二寿命次数为50～80万次。
可选地，进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱的步骤包括：
将排气系统装在整车上，在排气系统的消声器进出气环焊缝、挂钩焊缝和法兰环焊缝周侧选取应变测点，在应变测点布置应变片，采集得到应变载荷谱；
应变片贴片完成后，在试验台架上进行信号标定，按各桥路的载荷方向，在弹性形变范围内，施加若干组标准载荷，得到标准载荷与应变信号对应的关系式，通过该关系式，对测量得到的应变载荷谱进行转化，得到交变载荷谱。
可选地，根据所述结构损伤值，计算所述排气系统关键结构部位的残留寿命百分比和安全阈值的步骤包括：
通过下述公式计算残留寿命百分比：
(1-x)×100％，
通过下述公式计算安全阈值：
(1÷x)，式中x表示排气系统对应部位的结构损伤值。
可选地，计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值的步骤包括：使用nCode或Tecware疲劳分析软件，根据雨流分析和米勒准则，或穿级计数法和米勒准则，或峰值计数法和米勒准则，或幅值计数法和米勒准则，计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值。
综上所述，本发明带来的有益效果是：能够对排气系统的疲劳损伤、残留寿命及安全阈值作出准确分析及评价，从而提升产品可靠度，降低产品的失效可能。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明实施例提供的排气系统寿命评价方法。
图2为本发明实施例的流程简图图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1和图2所示，本实施例提供一种排气系统的寿命评价方法，适用于排气系统原型试作阶段，包括以下步骤：
步骤S10，提取静态载荷工况；
步骤S20，根据排气系统结构及材料进行有限元建模，进行有限元网格划分及模型搭建；
步骤S30，基于静态载荷工况和有限元建模计算排气系统关键结构部位的应力值，根据得到的应力值与预判标准之间的关系，判断是否需要重新进行排气系统的结构设计；
步骤S40，对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验，拟合出具备设定置信度和设定可靠度的结构寿命曲线；
步骤S50，进行排气系统的路谱采集试验，采集排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱；
步骤S60，根据得到的结构寿命曲线和交变载荷谱计算排气系统关键结构部位的结构损伤值；
步骤S70，根据结构损伤值，计算排气系统关键结构部位的残留寿命百分比和安全阈值；
步骤S80，根据残留寿命百分比和安全阈值，计算排气系统关键部位的寿命值。
具体地，在步骤S10(提取静态载荷工况)中，优选操作包括：基于路谱的典型载荷工况提取出静态载荷工况，即从动态路谱数据中提取出典型的静态载荷工况。静态载荷工况包括1G载荷工况、4G载荷工况、消声器进出口100Nm载荷工况和发动机正负摆角工况中的所有工况或任一工况。
在步骤S20(根据排气系统结构及材料进行有限元建模，进行有限元网格划分及模型搭建)中，优选的操作包括，将选取的材料属性结合排气系统的三维结构数模，运用HyperMesh软件进行有限元网格的划分和模型搭建。
在步骤S30(基于静态载荷工况和有限元建模计算排气系统关键结构部位的应力值，根据得到的应力值与预判标准之间的关系，判断是否需要重新进行排气系统结构的设计)中，优选的操作包括：应用Nastran或Abaqus软件计算排气系统中关键结构部位的应力值，通过应力值来预判损伤失效的风险。如果应力值大于预判标准，说明损伤失效风险较大，需重新进行排气系统结构设计的优化，直至应力值小于或等于标准为止，当应力值小于或等于预判标准，进入步骤S40或S50。需要特别说明的是，此处的预判标准，是本领域技术人员可以通过仿真或实验或标定得出的。
在步骤S40中，在对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验时，排气系统的关键结构部位包括消声器进出气焊接部位、挂钩焊接部位和法兰焊接部位。
在步骤S40中，对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验时，优选的操作包括：使排气系统不置于整车或台架上，单独在等幅正弦载荷的应力循环下，使用高低周双平行法在高周疲劳条件下展开试验；根据实验结果和疲劳理论，能拟合出具备设定置信度和可靠度的排气系统关键结构部位的结构寿命曲线(下称S-N曲线)，S-N曲线能表示外加应力水平与试样疲劳寿命间的关系。
疲劳耐久试验的具体操作步骤包括：使排气系统置于第一载荷情形，以第一寿命次数进行试验；使排气系统置于第二载荷情形，以第二寿命次数进行试验；记录实验数据。优选地，第二寿命次数至少为第一寿命次数的5～26倍，且第二载荷情形中的各载荷数值低于第一载荷情形中的各载荷数值。优选地，第一寿命次数为3-10万次，第二寿命次数为50-80万次。
在疲劳耐久试验中，对排气系统施加的载荷方向包括：对挂钩焊接部位施加竖直方向的力值载荷，对消声器进出气部位和法兰焊接部位施加弯矩值载荷。
需要说明的是，从前述方案描述中，本领域技术人员能够清楚，处于第一载荷情形时，试验目的是为了探究排气系统处于高载荷低寿命时对应的结构寿命特征，处于第二载荷情形时，试验目的是为了探究排气系统处于低载荷高寿命时对应的结构寿命特征。第一载荷情形中各载荷与第二载荷情形中各载荷之间的相差数值，是本领域技术人员可根据实验需求和排气系统构造灵活选择的。
进一步地，在根据实验结果和疲劳理论，能拟合出具备设定置信度和设定可靠度的S-N曲线。推荐的采用的置信度为50％，可靠度为90％或95％。
在步骤S50(进行排气系统的路谱采集试验，采集排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱)中，优选的操作包括：利用路谱采集设备，基于整车耐久路况，采集排气系统关键结构部位的应变载荷信号，利用标准载荷标定，将应变载荷谱转化为交变载荷谱。
其中，基于整车耐久路况，采集排气系统关键结构部位的应变载荷信号的步骤包括：将排气系统装在整车上，在排气系统中消声器进出气环焊缝、挂钩焊缝和法兰环焊缝的周侧选取应变测点，在应变测点布置应变片，通过搜集载荷导致形变而形变又导致的应变片电阻变化，采集得到应变载荷谱。
需要特别说明的是，步骤S50中，对排气系统施加的载荷条件与步骤S40中进行疲劳试验时对排气系统施加的载荷方向相同，即：对挂钩焊接部位施加竖直方向的力值载荷，对消声器进出气部位和法兰焊接部位施加弯矩值载荷。应变片布置数量由排气系统走向结构及测试设备通道数量决定，基本布置原则为：
(1)对于受竖直方向载荷的挂钩焊缝，应变片垂直布置于焊道周侧10mm以内，取半桥配置。
(2)对于受弯矩值载荷的消声器进出气环焊缝和法兰环焊缝，应变片与焊道方向成45°夹角布置于焊道周侧10mm以内，取半桥配置。
进一步地，上述利用标准载荷标定，将应变载荷谱转化为交变载荷谱的步骤指的是，应变片贴片完成后，在试验台架上进行信号标定，按各桥路的载荷方向，在弹性形变范围内，施加若干组标准载荷，得到标准载荷与应变信号对应的关系式，通过该关系式，对前述测量得到的应变载荷谱进行转化，得到交变载荷谱。其中，标准载荷为标准的质量块，诸如1kg或5kg质量块等，本领域技术人员可以根据实验需要灵活取用。
需要特别说明的是，上述标准载荷与应变信号对应关系式的得到步骤，可以是在排气系统的应变载荷谱采集之前完成，也可以是在排气系统的应变载荷谱采集之后完成，或在应变载荷谱采集过程中同时进行。
上述步骤S40和步骤S50均进行完毕后，即可进入步骤S60。具体地，在步骤S60(根据得到的结构寿命曲线和交变载荷谱计算排气系统关键结构部位的结构损伤值)中，优选的操作包括：根据前述得到的S-N曲线和交变载荷谱，应用nCode疲劳分析软件，基于雨流分析和米勒准则计算排气系统中消声器进出气焊接部位、挂钩焊接部位和法兰焊接部位的结构损伤值，从而进行残留寿命百分比及安全阈值的分析及评价。
需要进行说明的是，雨流分析是一种计数方法，米勒准则是一种疲劳累积损伤理论，其原理是：对于没有超过材料疲劳极限的载荷，其对材料造成的损伤是随着循环作用次数累计的，并且损伤会一直累积到一个极限值，然后材料便发生破坏。
在步骤S70(根据结构损伤值，计算排气系统关键结构部位的残留寿命百分比和安全阈值)中，可以以下述公式计算得到残留寿命百分比(式中x表示排气系统对应部位的结构损伤值)：
(1-x)×100％，
以下述公式计算得到安全阈值，安全阈值为倍数形式：
(1÷x)，
可选地，也可采用Tecware疲劳分析软件代替nCode疲劳分析软件。
可选地，也可使用穿级计数法和米勒准则，或峰值计数法和米勒准则，或幅值计数法和米勒准则，去计算排气系统的结构损伤值。
承上述，得到排气系统对应部位的残留寿命百分比和安全阈值后，即可进入步骤S80(根据残留寿命百分比和安全阈值，计算排气系统关键部位的寿命值)中。具体地，根据残留寿命百分比和安全阈值，计算排气系统关键部位的寿命值的步骤为：
首先，计算该残留寿命百分比对应的车辆已在典型路面行驶过的公里数。此处的“残留寿命百分比对应的车辆已在典型路面行驶过的公里数”，指的是如果要得到该残留寿命百分比，车辆需要在典型路面行驶过的公里数，也就是说，车辆在典型路面驶过一定的公里数后，排气系统的残留寿命百分比刚好为步骤S70中得到的残留寿命百分比，该“车辆已在典型路面行驶过的公里数”是本领域技术人员可以通过残留寿命百分比与结构损伤值之间的换算关系、以及伪损伤等效原理和米勒准则，结合疲劳耐久试验参数计算得到的。
其次，得到车辆已在典型路面行驶过的公里数后，通过将安全阈值与车辆已在典型路面行驶过的公里数相乘，算出在设定可靠度和设定置信度的情况下，车辆还能够在典型路面上行驶的公里数。
最后，将车辆还能够在典型路面上行驶的公里数与车辆已在典型路面行驶过的公里数相加，得到排气系统关键部位的寿命值，将该寿命值与出于市场需求和设计目的设置的目标寿命进行比较，若该寿命值大于或等于目标寿命，则寿命评价通过，否则需重新进行排气系统结构的设计。
需要特别说明的是，采用上述方法验证得到可以满足设计寿命的排气系统后，可将在原型试作时用于估算车辆寿命的结构损伤值作为量试或正式生产时作为质检评价指标的结构损伤值阈值。换言之，在后续该型号排气系统的质检过程中，不进行静态载荷工况提取及应力值计算的步骤，在相同条件下直接进行疲劳耐久试验和路谱采集试验，将所得的结构损伤值与结构损伤值阈值对比，若得到的结构损伤值小于或等于结构损伤值阈值，则该排气系统寿命评价通过，若大于，则寿命评价不通过。
综上，根据本发明所提供的方法，能够对排气系统的疲劳损伤、残留寿命及安全阈值作出准确分析及评价，从而提升产品可靠度，降低产品的失效可能。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种排气系统的寿命评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验，拟合出具备设定置信度和设定可靠度的结构寿命曲线；
进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱；
根据得到的结构寿命曲线和交变载荷谱计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值；
比较结构损伤值与结构损伤阈值的关系，若结构损伤值大于结构损伤阈值，寿命评价不通过，所结构损伤值小于或等于结构损伤阈值，寿命评价通过。
2.如权利要求1所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，所述结构损伤值阈值通过以下步骤获得：
提取静态载荷工况；
根据排气系统结构及材料进行有限元建模，进行有限元网格划分及模型搭建；
基于所述静态载荷工况和所述有限元建模计算排气系统关键结构部位的应力值，根据得到的应力值与预判标准之间的关系，判断是否需要重新进行排气系统的结构设计；
对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验，拟合出具备设定置信度和设定可靠度的结构寿命曲线；
进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱；
根据得到的结构寿命曲线和交变载荷谱计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值；
根据所述结构损伤值，计算所述排气系统关键结构部位的残留寿命百分比和安全阈值；
根据残留寿命百分比和安全阈值，计算排气系统关键部位的寿命值；
比较排气系统关键部位的寿命值与目标寿命之间的关系，若排气系统关键部位的寿命值大于或等于目标寿命，则将所述结构损伤值设为结构损伤阈值，否则重新进行排气系统结构的设计。
3.如权利要求2所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，所述静态载荷工况包括1G载荷工况和/或4G载荷工况和/或消声器进出口100Nm载荷工况和/或发动机正负摆角工况。
4.如权利要求1或2所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，所述排气系统关键结构部位包括消声器进出气焊接部位、挂钩焊接部位和法兰焊接位置。
5.如权利要求4所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱的步骤中，所述消声器进出气焊接部位和所述法兰焊接位置承受弯矩值载荷，所述挂钩焊接部位承受竖直方向力值载荷。
6.如权利要求1或2所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验时进行的操作包括：排气系统不置于整车或台架中，单独在高周疲劳条件下进行疲劳耐久试验。
7.如权利要求6所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，对排气系统关键结构部位进行疲劳耐久试验时进行的操作包括：使排气系统置于第一载荷情形，以第一寿命次数进行试验，使排气系统置于第二载荷情形，以第二寿命次数进行试验，所述第二寿命次数至少为第一寿命次数的5～26倍，所述第二载荷情形中的各载荷数值低于所述第一载荷情形中的各载荷数值。
8.如权利要求7所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，所述第一寿命次数为3～10万次，所述第二寿命次数为50～80万次。
9.如权利要求1或2所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，进行所述排气系统的路谱采集试验，采集所述排气系统关键结构部位周侧的应变载荷谱，通过标定得到交变载荷谱的步骤包括：
将排气系统装在整车上，在排气系统的消声器进出气环焊缝、挂钩焊缝和法兰环焊缝周侧选取应变测点，在应变测点布置应变片，采集得到应变载荷谱；
应变片贴片完成后，在试验台架上进行信号标定，按各桥路的载荷方向，在弹性形变范围内，施加若干组标准载荷，得到标准载荷与应变信号对应的关系式，通过该关系式，对测量得到的应变载荷谱进行转化，得到交变载荷谱。
10.如权利要求2所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，根据所述结构损伤值，计算所述排气系统关键结构部位的残留寿命百分比和安全阈值的步骤包括：
通过下述公式计算残留寿命百分比：
(1-x)×100％，
通过下述公式计算安全阈值：
(1÷x)，式中x表示排气系统对应部位的结构损伤值。
11.如权利要求1或2所述的排气系统的寿命评价方法，其特征在于，计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值的步骤包括：使用nCode或Tecware疲劳分析软件，根据雨流分析和米勒准则，或穿级计数法和米勒准则，或峰值计数法和米勒准则，或幅值计数法和米勒准则，计算所述排气系统关键结构部位的结构损伤值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116776456A (zh) * 2023-04-07 2023-09-19 广州汽车集团股份有限公司 车辆结构的损伤预测方法、装置、终端以及介质

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