擋泥板支架疲勞試驗(yàn)方法探究

劉香愛，田朋濤，賀娜

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

關(guān)鍵字：擋泥板支架；疲勞理論；雨流計(jì)數(shù)法原理；單級(jí)加載譜試驗(yàn)；道路模擬試驗(yàn)

引言

汽車上大多數(shù)關(guān)鍵零部件的失效問題都是由振動(dòng)疲勞引起的，伴隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，人們?cè)絹碓街匾暯Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的疲勞壽命問題，疲勞耐久試驗(yàn)成為新開發(fā)的車型和關(guān)鍵零部件的主要考核項(xiàng)目之一。

針對(duì)整車搭載耐久試驗(yàn)成本高、周期不可控等因素，通過臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)零部件振動(dòng)耐久性能進(jìn)行驗(yàn)證成為主要試驗(yàn)手段。道路模擬試驗(yàn)方法和塊譜加載試驗(yàn)方法是目前應(yīng)用較為廣泛的兩種臺(tái)架試驗(yàn)方法。道路模擬試驗(yàn)方法是將道路載荷譜再現(xiàn)于室內(nèi)臺(tái)架進(jìn)行載荷加載試驗(yàn)。塊譜加載試驗(yàn)方法是基于雨流統(tǒng)計(jì)和疲勞損傷累積理論，將實(shí)際道路載荷譜生成當(dāng)量偽損傷等效的循環(huán)載荷，塊譜加載試驗(yàn)分為單級(jí)譜加載試驗(yàn)和多級(jí)譜加載試驗(yàn)[1]。

1 疲勞理論

1.1 線性疲勞損傷準(zhǔn)則[3-5]

線性疲勞累計(jì)損傷準(zhǔn)則是指在循環(huán)載荷作用下，疲勞損傷是可以線性的累加的，各個(gè)應(yīng)力之間相互獨(dú)立和互不相關(guān)，當(dāng)累加的損傷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，試件或構(gòu)件就發(fā)生疲勞破壞。線性累計(jì)損傷理論中經(jīng)典的是Palmgren-Miner理論，簡稱Miner理論。

用數(shù)學(xué)的方法表示，Miner理論可以表示如下：

式中，ni表示第i種幅值的載荷循環(huán)次數(shù)，Ni,f表示第i種幅值的載荷作用下，試件的疲勞壽命，Di表示第i種幅值的載荷對(duì)試件產(chǎn)生的損傷。

1.2 偽損傷

基于Palmgren-Miner理論、Wohler曲線和雨流循環(huán)計(jì)數(shù)的概念，輸入載荷是一組雨流循環(huán)，最簡單的Wohler曲線以Basquin方程形式給出：

其中幅值Si的循環(huán)損傷貢獻(xiàn)是，由1.1中線性疲勞累計(jì)損傷準(zhǔn)則，它對(duì)所有計(jì)數(shù)載荷的損傷求和：

我們希望偽損傷不依賴于材料模型，因此將偽損傷定義為：

則損傷與偽損傷的關(guān)系為：

式中α為比例常數(shù)，β為材料的損傷指數(shù)。

“新零售精益服務(wù)考核方式，將服務(wù)類指標(biāo)的考核權(quán)重提高到60%，員工們服務(wù)意識(shí)越來越強(qiáng)?！焙颖变N售石家莊分公司136加油站經(jīng)理劉慧慧說。

1.3 雨流計(jì)數(shù)法原理

把應(yīng)變-時(shí)間歷程樣本記錄轉(zhuǎn)過90°，時(shí)間坐標(biāo)軸豎直向下，樣本記錄猶如一系列屋面，雨水順著屋面往下流，故稱為雨流法。雨流法有下列規(guī)則：

（1）雨流在試驗(yàn)記錄的起點(diǎn)和依次在每一個(gè)峰值的內(nèi)邊開始，亦即從1，2，3…等尖點(diǎn)開始；

（2）雨流在流到峰值處（即屋檐）豎直下滴，一直流到對(duì)面有一個(gè)比開始時(shí)最大值（或最小值）更正的最大值（或更負(fù)的最小值）為止。

（3）當(dāng)雨流遇到來自上面屋頂流下的雨時(shí)就停止流動(dòng)；

（4）如果初始應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變，順序的始點(diǎn)是拉應(yīng)變最小值的點(diǎn)；

（5）每一雨流的水平長度是作為該應(yīng)變幅值的半循環(huán)計(jì)數(shù)的。

圖1 載荷-時(shí)間歷程的雨流計(jì)數(shù)法原理

2 道路模擬試驗(yàn)[2]

擋泥板支架是汽車擋泥板總成中的結(jié)構(gòu)件，是將擋泥板、擋泥簾及防飛濺等附件（以下簡稱擋泥板系統(tǒng)）與車架縱梁連接在一起的橋梁，擋泥板支架底座固定在車架縱梁上，擋泥板支架承載擋泥板系統(tǒng)的重量。在試驗(yàn)過程中，將擋泥板支架及擋泥板系統(tǒng)作為一個(gè)整體來進(jìn)行驗(yàn)證。在某試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行道路載荷譜采集的過程中，將加速度傳感器布置于擋泥板固定點(diǎn)車架位置、擋泥板支架端部，應(yīng)變片布置于擋泥板支架熱點(diǎn)位置。

圖2 加速度信號(hào)

圖3 應(yīng)變信號(hào)

為保證道路模擬試驗(yàn)精度，道路模擬試驗(yàn)加速度傳感器和應(yīng)變片布置與試驗(yàn)場(chǎng)保持一致，根據(jù)試驗(yàn)需求搭建道路模擬試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和處理，加載到試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)迭代，獲得滿足要求的臺(tái)架響應(yīng)信號(hào)，提取各路段驅(qū)動(dòng)信號(hào)，按照試驗(yàn)場(chǎng)重型車強(qiáng)化路可靠性試驗(yàn)各路況行駛順序，組合相應(yīng)的各路段臺(tái)架驅(qū)動(dòng)信號(hào)，生成室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)程序，將其加載于道路模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范確定擋泥板支架設(shè)計(jì)壽命目標(biāo)里程，等效于試驗(yàn)臺(tái)架為3.4×104km（試驗(yàn)時(shí)間約為357h）。3種型號(hào)擋泥板支架完成3.4×104km道路模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)后樣件均無失效故障。

3 單級(jí)加載譜試驗(yàn)

通過對(duì)擋泥板支架進(jìn)行受力分析，可將其簡化為一個(gè)簡單的懸臂梁結(jié)構(gòu)，將承載質(zhì)量集中加載于擋泥板支架上。為了使該方法能適用于多種結(jié)構(gòu)的擋泥板支架試驗(yàn)，現(xiàn)統(tǒng)計(jì)出擋泥板支架在惡劣的使用環(huán)境下如寒冷天氣掛泥沙結(jié)冰的最大承載質(zhì)量作為加載質(zhì)量。

3.1 加載幅值的確定

對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)采集到的擋泥板端部原始加速度信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去尖角、毛刺，濾波等。通過計(jì)算端部加速度功率譜密度（PSD）（如圖4所示）可看出，能量主要集中在Z向，故本文主要考慮Z向載荷。對(duì)Z向載荷做雨流統(tǒng)計(jì)，選擇合適的加速值計(jì)算塊譜的加載幅值，F(xiàn)=ma=2.94kN。

圖4 PSD譜線

3.2 加載循環(huán)次數(shù)的確定

采集道路模擬試驗(yàn)擋泥板支架熱點(diǎn)位置應(yīng)力，根據(jù)Palmgren-Miner線性理論疲勞理論計(jì)算擋泥板設(shè)計(jì)壽命里程的偽損失。利用工裝夾具和液壓作動(dòng)器搭建單級(jí)譜加載試驗(yàn)臺(tái)架，這里需要說明在工裝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使擋泥板支架端部運(yùn)動(dòng)軌跡為弧形，采用銷軸連接，釋放Y向自由度，使缸體運(yùn)動(dòng)在加載中不受內(nèi)力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定加載頻率為3Hz，在擋泥板支架熱點(diǎn)位置布置（與道路模擬試驗(yàn)熱點(diǎn)位置一致）應(yīng)變片采集應(yīng)力，如圖6所示，根據(jù)Palmgren-Miner線性理論疲勞理論計(jì)算偽損失，最后根據(jù)損傷等效原理計(jì)算單級(jí)譜循環(huán)加載次數(shù)為11.4萬次，取整為12萬次（試驗(yàn)時(shí)間為11.1h）。

圖5 雨流統(tǒng)計(jì)

圖6 單級(jí)譜加載應(yīng)力

將3.1和3.2計(jì)算得到的單級(jí)加載譜加載于液壓試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行加載試驗(yàn)，完成3種型號(hào)擋泥板支架試驗(yàn)，試驗(yàn)后均無失效故障，與道路模擬試驗(yàn)結(jié)果一致，說明該方法有效。

4 結(jié)語

本文首先通過對(duì)擋泥板支架載荷譜進(jìn)行分析，結(jié)合支架實(shí)際的結(jié)構(gòu)受力情況，通過雨流計(jì)數(shù)法原理確定單級(jí)譜加載幅值。然后根據(jù)Palmgren-Miner線性理論疲勞理論、擋泥板支架設(shè)計(jì)壽命目標(biāo)里程計(jì)算載荷譜偽損傷，并通過損傷等效原理確定單級(jí)譜加載循環(huán)次數(shù)，最后進(jìn)行單級(jí)加載譜試驗(yàn)并通過道路模擬試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性。從方法的可靠性來說，兩種方法均可靠有效。從試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)成本、樣件組織的難易程度等來講，推薦使用單級(jí)譜加載試驗(yàn)方法。但單級(jí)加載譜因考慮有限，在后續(xù)的研究中還需進(jìn)一步優(yōu)化。