汽车零部件加速疲劳试验方法研究

汽车零部件加速疲劳试验方法研究

何海燕 向加兵

重庆长安汽车股份有限公司 400020

摘要：本文首先对汽车零部件的加速疲劳试验的原则进行了总结，随后对常见加速疲劳试验方法进行了阐述，最后提出了非线性强化载荷谱法。此方法可以实现很好的加速效果，而且该方法能够使失效机理的不变性得到很好的保持。

关键词：汽车零部件；加速疲劳；试验方法

引言：进行加速疲劳试验目的是对加速疲劳试验结果和设计载荷谱的结构零部件的疲劳失效状况间的相关性进行探讨，相关人员能够按照试验结果对结构零部件设计载荷谱的服役疲劳寿命和它的失效形式进行推断，出于保障加速疲劳试验的结果和结构零部件的疲劳失效状况间带有相关性的目的，需要按照准则进行试验。

一、汽车零部件的加速疲劳试验的准则

就全尺寸结构的汽车零部件而言，其加速疲劳试验的结果和设计载荷谱的零部件疲劳失效状况的相关性需要包括试验载荷和具体荷载标准的相似性和试验的失效位置和具体使用标准的失效位置之间具备一致性，此外，预测的试验失效时长和具体使用时的疲劳寿命间需要具备当量关系。

出于使汽车零部件工作的工作变得更加精准与可靠的目的，需要尽量对全部对疲劳性能造成影响的因素进行计算。要想使相对Miner法则能够成立，需要依靠两个相似载荷谱之间的相似度，相似性条件如下文所示：首先，对两组相似载荷谱来说，其重要峰值和谷值的顺序需要是相同的或者是相近的，换句话说，需要确保两组相似载荷谱都具备相似载荷次序的特性。其次，对这两组相似载荷谱来说，它们的重要峰谷值的大小需要具备比例关系或者近似具有比例关系，其比例因子需要尽量趋近于1，限制与影响会由于载荷强度存在差异而导致两组相似载荷谱之间存在失效机理方面的差别。事实上，上文提到的两个相似性条件能够对试验载荷谱和设计载荷谱的相似性进行定义，它的目标是为两组相似载荷谱之间的失效机理或位置的一致性提供保障。

二、汽车零部件的加速疲劳试验方法

（一）使试验加载频率得到提升的方法

一般来说，在非高温环境与非腐蚀性环境背景下，而且在不超过100Hz的低频范围中，对金属材料来说，它们的疲劳性能不会受到加载频率的严重限制。因此，如果进行加速疲劳试验的金属结构零部件比较普遍，能够对其加载频率进行适度地提升。使试验加载频率得到提升的方法适用于试验小试件材料，试验其疲劳性能。而在具体应用中，提高试验加载频率方法在全尺寸结构的零部件等幅加载疲劳实验中的效果同样不俗。不过，如果试验系统仅对试验驱动载荷进行控制，需要防止由于加载频率的提升，使得结构零部件的部分危险范围中存在附加性质的动态载荷。对提升加载频率而言，通常不但会被试验加载设备所影响，而且会被系统动态特征所影响，特别对于复杂程度很高的试验系统来说，其随机记载疲劳试验的效果会受到更加严重的限制^[1]。

（二）删小量方法

删小量是指把存在于设计载荷谱的无效载荷删去，这些载荷于损伤而言几乎没有贡献。一般来说，删小量法能够把设计载荷谱的最大幅值分比或者材料疲劳限度分比当作判断无效载荷的依据，或者删掉没有超过设计载荷谱最大幅值的十分之一，对材料疲劳极限来说，或者需要删掉没超过它的50%-60%。 删小量方法的缺陷如下：如果将疲劳损伤作为观察角度，那么确定删除多少的工作很难进行掌握。

对结构零部件的加速疲劳试验方法来说，提高试验加载频率方法与删小量法通常不会对其失效机理造成破坏，能够被应用于加速疲劳试验。

（三）线性强化载荷谱的方法

对线性强化载荷谱法来说，其原理即把设计载荷谱的各个频次的载荷幅值一同和强化系数进行相乘。此方法能够在加速疲劳试验这一进程中起到明显作用，特别是在强化系数趋近于1的背景下，此方法可以符合相对Miner法则及其相似性载荷标准，进而使相关人员能够按照强化实验载荷谱的疲劳试验时长，对设计载荷谱的疲劳试验时长进行合理推断。不过，假如此方法具有较大的强化系数，无法满足强化系数趋近于1的标准，那么失效机理会发生改变。特别对于全尺寸结构零部件来说，且其几何形状非常复杂，制造材料的种类很多，在此背景下，如果失效机理发生改变，会有一定几率使加速疲劳试验的失效位置具备更加明显的分散性，还会使试验载荷谱的失效位置和设计载荷谱的失效位置无法保持一致，从而导致工作人员无法使用相对Miner法则，从强化试验载荷谱的疲劳试验时长，对设计载荷谱的疲劳时长的数值进行合理推断。不过对大多数场合来说，纵使线性强化试验载荷谱非常合理，其加速疲劳试验效果仍然不甚理想^[2]。

三、非线性强化载荷谱的方法

非线性强化载荷谱的方法是指对载荷谱而言，在保障其最大载荷幅值没有发生变化的前提下，对其他载荷频次进行增加的方法。利用非线性强化载荷谱方法的试验载荷谱与设计的载荷谱相比，其直观感受会更加饱满。虽然在没有影响的前提下使用非线性强化载荷谱方法会转化成等幅加载试验，不过有实践能够表明，在实际状况中，出于实现合适加速目标的目的，通常不会对非线性强化载荷谱的方法进行没有节制的应用。所以，问题的重点在于，此方法的载荷谱和设计的载荷谱之间能否符合相对Miner法则及其相似性载荷要求。

对载荷次序特点来说，文章所指的适度非线性强化同样具有原载荷的次序特点。因为材料或者零部件的部分危险点在弹塑性状态上发生了改变，这些关键性因素会使得失效机理出现变动，就此类因素来说，其定量表征指的是材料的过渡疲劳寿命或疲劳性能参数。如果材料的疲劳寿命没有超过其过渡疲劳寿命，则表明该材料处于低周疲劳状态，如果材料的疲劳寿命大于它的过渡疲劳寿命，则表明该材料处于高周疲劳状态。所以能够判断，对载荷强度的标准来说，只需确保强化载荷谱和原载荷谱能不能存在低周循环载荷和低周循环载荷数量存在相似性就能够为相对Miner法则在适用性上提供保障。

以往的相对Miner法则仅限制了两组载荷谱在次序上的特点和限制了载荷强度的水准，此类限制为定性限制，在实际应用过程中，给操作造成了很大的难度，事实上，两组载荷谱的相似性，需要包含次序特点方面的相似性与载荷强度水准方面的相似性，此外，对这两组载荷谱来说，需要包括大载荷循环数方面的相似性，特别应该包含低周循环数方面的相似性。对相似性载荷条件来说，实用性更强的条件如下：首先，对两组相似载荷谱来说，其关键峰值与谷值的顺序需要保持一致或者十分接近，这样能够确保这两组相似载荷谱在载荷次序特点方面较为相近。其次，对这两组相似载荷谱来说，其重要峰值与谷值的大小需要具有比例关系或者接近具有比例关系，此外，相似性特点需要体现在能不能具备低周疲劳循环载荷和低周疲劳循环载荷的数量。展开来说，在人们使用强化载荷谱的试验时长中，选择相对Miner法则对非强化载荷谱的疲劳时长进行估计的情况下，如果非强化载荷不具备低周循环载荷，在此背景下，能够进行适当地线性强化，不过应该确保强化载荷谱不会具备低周循环载荷，假如在此情况下还无法符合零部件加速试验标准，能够在为线性强化载荷谱的最高峰值及谷值提供保障的状况下持续使用适当地非线性强化操作。如果非强化载荷谱已经存在低周循环载荷，并且此种情况仍然无法符合零部件加速试验标准，就只好对适当地非线性强化进行使用，非线性强化的原则：对强化的载荷谱而言，除了原来的低周循环载荷之外，其余的载荷通常禁止进至低周循环。

结束语：常用汽车零部件加速疲劳试验方法包括提高试验加载频率方法、删小量方法、线性强化载荷谱方法。非线性强化载荷谱法是指在保障载荷谱的最大载荷幅值不发生变化的前提下，使其他载荷频次得到增加，可以使所得强化试验载荷谱与设计载荷谱相比，在设计上更加饱满。

参考文献：

[1]董国疆,张永强,魏留伟,等.基于S变换的汽车零部件疲劳载荷谱编辑法研究[J].中国公路学报,2021,34(05):204-214.

[2]董国疆,颜峰,郎玉玲,等.汽车零部件疲劳分析载荷谱加速编辑法研究[J].中国机械工程,2020,31(05):543-552.