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基于损伤的疲劳编辑及加速试验朱涛 宋健（清华大学 汽车安全与节能国家重点实验室，100084）【摘要】传统的汽车零部件台架疲劳试验中，一般是根据设置经验门限值进行试探性的载荷历程编辑，或者简单对载荷历程进行线性强化，这样来实现加速疲劳试验，获得的结果可信度较差。本文通过对采集到的真实载荷谱进行基于损伤评估和疲劳分析的编辑浓缩，对小幅值循环的载荷进行可控过滤，达到了定量加速零部件疲劳试验的目的，获得的结果相对更为可信和可靠。关键词：损伤评估 疲劳分析 疲劳编辑 加速试验中图分类号：U461.91 文献标识码：AFatigue Editing Based on Damage and Accelerated TestingZhu Tao Gao Feng(Beijing University of Aeronautics and Astronautics) Abstract：During the traditional rig fatigue testing of the vehicle component, with setting the experiential threshold to edit the loading history on trial or magnify the loading history linearly, in such way to implement accelerated fatigue testing, and get the results in lower reliability. In this paper, based on the damage evaluation and fatigue analysis, with editing and condensing the real measured loading history, and filtrating the small cycle loading controllable, achieve the purpose of accelerating the rig fatigue testing quantitatively, and get more reliable and creditable results.Key Words Damage Evaluation; Fatigue Analysis; Fatigue Editing; Accelerated Testing.1 前言汽车工业中，在新产品设计开发的后期一项主要的工作就是在实验室内进行疲劳试验，以用来复现道路试验场上车辆零部件的疲劳损伤和失效模式1。随着现代随机理论、控制技术以及计算机的迅猛发展，室内对整车进行道路模拟试验的方法及设备日趋完善。显然，这种室内疲劳试验是非常费时的，会导致开发成本增加和开发周期延长。对于这样的随机载荷加速疲劳试验，工程上一般的传统做法是将试验载荷谱加以浓缩或强化，即对试验谱中的小幅值载荷段直接删除，或将原始试验谱乘上一个强化系数，以达到缩短试验时间的目的2。但其中存在太多的经验和估计因素，很少能做出确定损伤量化的对比。因此，传统方法的加速疲劳试验必然有一定的误差。一般的室内加速疲劳试验过程如图1所示，先在有代表性的道路或试车场典型路面上用样车进行一定时间的路试，通过在关键部位粘贴的应变片采集到应变历程信号，按照标定好的应变-载荷关系即可推算出相应的载荷谱。然后对该应变谱进行编辑处理，生成用于驱动台架的加速试验谱，最后进行台架试验即可评估样车的疲劳性能。图1 室内加速试验过程示意图本文针对上述的数据处理环节进行研究，对采集到的应变谱进行结构疲劳寿命预估计算，然后基于损伤量对应变谱进行编辑以滤掉对结构损伤贡献较小的循环，还原为载荷谱即可进行后续的定量加速试验。2 基于实测应变信号的疲劳计算2.1 局部应变寿命法概述局部应变寿命法（E-N法）是继名义应力寿命法（S-N法）之后，广泛用于汽车结构件疲劳寿命计算的方法，它能很有效的计入缺口、焊缝、应力集中等现象所产生的局部循环塑性变形效应，该效应即循环应力-应变曲线，用式1表达。E-N法用幂函数形式表达为式2，也叫曼森-科芬方程。迈纳线性损伤累积法则如式3所示，基于此法则结合循环应力-应变曲线和材料E-N曲线即可计算承受随机载荷下的构件疲劳寿命3。式中，应变幅值；弹性应变幅值；塑性应变幅值；应力幅值；弹性模量；循环强度系数；循环应变硬化指数；疲劳强度系数；疲劳延性系数；疲劳强度指数；疲劳延性指数；各应变水平下的循环次数；各应变水平下的疲劳寿命；总疲劳损伤；疲劳寿命。基于实测应变谱的E-N法疲劳寿命计算流程如图2所示。图2 E-N法疲劳寿命计算流程图2.2 疲劳寿命计算本文取测试中某一通道的应变谱作为研究对象来进行疲劳寿命的计算。如图3所示即为采集到的一段应变谱，样本时间长度为580秒。图3 采集到的样本应变谱所分析结构的材料牌号为SAE1045_Shaft，其循环/单调应力-应变曲线如图4所示，可见该材料为一种循环硬化材料。应变-寿命曲线如图5所示。图4 材料循环/单调应力-应变曲线图5 材料应变-寿命曲线对采集到的随机应变谱进行雨流计数，得到其雨流循环直方图如图6所示，然后结合上述曲线和关系式即可进行该结构的剩余疲劳寿命计算，对平均应力进行SWT修正，计算结果为该样本谱还能重复4.419e4次，合2.563e7秒。给出其损伤直方图和损伤图6 采集到随机应变谱的雨流循环直方图时间历程图，分别如图7、8所示，其中损伤时间历程图是将每一循环周产生的损伤值对半分至组成该循环周的“波峰”和“波谷”处，而获得的一个叠加后总的时间关联损伤分布图，从该图可以清楚看出损伤发生的时刻。图7 该应变谱产生的损伤直方图图8 该应变谱产生的损伤-时间历程可见，该样本应变谱只在有限的几个大幅值循环处对结构产生了较大损伤，而其它片断对结构的损伤贡献是很小的，因此过滤掉这些小幅值谱片断来实现加速试验是完全可能的，下面进行损伤量化评估，然后基于该定量评估来对应变谱进行编辑，以实现后续的台架加速试验。3 基于损伤量评估的疲劳编辑比较上面的雨流和损伤直方图，从中可清楚地看出，哪些循环周为非损伤循环周。在进行损伤量保留与时间保留的定量关联后，即可在循环直方图中将无损伤或小损伤循环滤掉，根据编辑后的循环直方图重构一个只有“峰谷”的随机时域信号45，作为载荷控制信号，对重构的信号再进行疲劳寿命计算，可评估重构的信号与原始信号相比保留下来的损伤和需耗费的时间，以及滤掉的损伤值和预估的寿命值大小。对上述采集到的应变信号，下面给出欲保留原始损伤的75到100区间内，所对应的耗费时间占原始信号时间长度的百分比关系，以及对编辑后的直方图重构的信号进行疲劳寿命计算和过滤掉的损伤值评估，结果如表1所示。举例解释如下，加速试验欲保留90的原始损伤时，编辑后的信号只需耗费原始信号时间长度的2.741即可达到这一目标，编辑后的信号预估疲劳寿命值略有增加为2.877e7秒，与原始信号产生的损伤相比，编辑后信号滤掉了损伤值为4.017e-7。可见，在原始损伤基本得到保留的前提下，很好的实现了加速疲劳试验，试验所需时间大大缩短。具体采用何种信号编辑方案，需参照表1并考虑多方面因素综合确定。表1 编辑后信号损坏与寿命评估保留损伤耗费时间滤掉损伤值预估疲劳寿命（S）1006.0181.071e-82.563e7953.4312.387e-72.706e7902.7414.017e-72.877e7852.3974.995e-73.004e7802.0526.099e-73.184e7751.7077.428e-73.440e7图9给出原始信号与保留不同损伤值时所编辑重构后的信号时域图。图9 保留不同损伤值对应的编辑前后信号图10给出原始信号产生的损伤时域图与保留不同损伤值时所编辑重构后的信号产生的损伤时域图对比。为进一步分析原始信号与编辑后信号之间的内在关系，对这些时域信号进行频谱分析，得到其功率谱分布图，如图11所示。可见与原始信号相比，编辑前后信号的功率谱分布规律保持不变，即其信号能量分布保持不变。图10 保留不同损伤值时的损伤时域图分布图11 编辑前后信号的功率谱分布4 结论随着产品竞争日趋激烈，企业对压缩产品研发周期和研发成本有着浓厚的兴趣的同时，对保证产品质量也是不容忽视的。在新开发产品的最后物理样机疲劳试验阶段，传统的依靠经验来进行加速试验的方法已经满足不了企业对上述指标的要求。本文中提出的定量加速试验方案，在基于定量损伤评估的基础上进行的试验驱动载荷可控编辑，则能很好的满足这一需求，具有重要的现实意义。参 考 文 献1 Yung-Li Lee,Jwo Pan,Richard B.Hathaway,Mark E.Barkey. Fatigue Testing And Analysis(Theory and Practice).Butterworth-Heinemann,2005,3133362 编辑委员会.汽车工程手册试验篇.北京：人民交通出版社，2001.6796803 徐灏.疲劳强度M.北京：高等教育出版社，1988.4 Austen IM,林晓斌. 加速疲劳试验的疲劳编辑技术J. 中国机械工程, 1998, 9 (