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車輛耐久性工程的核心挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)

2019-02-16 16:38:00·  來源：耐久論壇  作者：李旭東博士  
　
1耐久性與疲勞按照文獻(xiàn)1，耐久性定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。套用這一定義，車輛耐久性指的是車輛在規(guī)定的使用和維修條件下，
1 耐久性與疲勞
 
按照文獻(xiàn)1，耐久性定義為：產(chǎn)品在規(guī)定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。套用這一定義，車輛耐久性指的是車輛在規(guī)定的使用和維修條件下，其使用壽命的一種度量。而這其中，最重要的一種壽命，是疲勞壽命。
 
疲勞壽命通常分為裂紋起始階段和裂紋擴(kuò)展階段，如圖1所示。裂紋起始階段包括一些微裂紋擴(kuò)展，但是疲勞裂紋太小，無法看到（起碼不容易看到）；裂紋擴(kuò)展階段，疲勞裂紋擴(kuò)展直到完全斷裂。兩個(gè)階段之間沒有一個(gè)非常清晰和嚴(yán)格的裂紋尺寸來加以分割，如果采用某種無損檢測(cè)技術(shù)可以比較高檢出率的檢測(cè)出某一裂紋，通常就將這一裂紋稱為宏觀可見裂紋，并將其作為劃分裂紋初始階段和裂紋擴(kuò)展階段的分界線，這里面顯然帶有一些人為因素。
   
圖1 典型的（高周）疲勞斷口2
裂紋擴(kuò)展階段，其行為用裂紋擴(kuò)展速率模型和斷裂力學(xué)來描述，但是對(duì)于沒有采用損傷容限設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)（比如說車輛結(jié)構(gòu)）來說，其一旦形成宏觀可見裂紋，可供其擴(kuò)展直至斷裂的壽命已經(jīng)寥寥無幾。從另一方面說，裂紋起始階段所對(duì)應(yīng)的裂紋形成壽命，往往占到總壽命（從投入使用之初，到最后被干斷的總時(shí)長(zhǎng)）的90％以上，而用以評(píng)估和預(yù)測(cè)這一部分壽命的理論和方法，就是疲勞理論的核心任務(wù)。因此，在本論壇的后續(xù)所有文章之中，如果不加特殊說明，疲勞壽命僅僅單指材料或結(jié)構(gòu)的裂紋形成壽命。
 
2 載荷對(duì)于疲勞壽命評(píng)估的極端重要性
 
對(duì)于幾乎任何一個(gè)力學(xué)行為進(jìn)行描述和評(píng)估，幾乎都離不開幾何、材料和載荷三要素。家里的桌子夠不夠結(jié)實(shí)呢？看看桌板夠不夠厚實(shí)，桌板越厚越結(jié)實(shí)，這是幾何方面；看看桌子用什么材料制作的，用不銹鋼或鈦合金做的（如果有這種桌子的話）一定比用塑料、木頭做的桌子來的結(jié)實(shí)，這是材料方面；桌子上放一個(gè)本子或筆，肯定沒事，如果找?guī)讉€(gè)胖子在上面蹦蹦跳跳，那不見得撐得住，這是載荷方面的影響。
疲勞作為力學(xué)的一個(gè)分支，其行為也受這三方面要素的制約，但是，如圖2所示，可以看到，疲勞壽命評(píng)估結(jié)果對(duì)于載荷輸入具有異乎尋常的敏感性。
圖2 疲勞壽命評(píng)估結(jié)果對(duì)載荷波動(dòng)的強(qiáng)烈敏感性2
 
在（高周）疲勞壽命評(píng)估時(shí)，需要經(jīng)由材料或結(jié)構(gòu)的SN曲線，由載荷預(yù)測(cè)壽命。圖2中選擇了一個(gè)非常用代表性的金屬結(jié)構(gòu)，代表其疲勞特性的SN曲線反斜率k值為5（常用取值范圍為3~10）。我們可以看到，在這種情況下，如果載荷僅僅上升15％，疲勞壽命就會(huì)縮短一半；如果載荷僅僅降低13％，疲勞壽命就會(huì)上升為原來的兩倍。
 
金屬結(jié)構(gòu)的（高周）疲勞壽命極其敏感的隨作用在其上的載荷的變化而變化，載荷差之毫厘，（高周）疲勞壽命和損傷謬以千里。這一點(diǎn)，是每一個(gè)參與耐久性工程的工作者需要敏感和警覺的事情。
 
3 車輛耐久性工程中的突出矛盾和重大挑戰(zhàn)
 
   現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)把一輛轎車或卡車交付給客戶之后，車輛生產(chǎn)商幾乎沒有辦法對(duì)于車輛的使用條件進(jìn)行限定：客戶開著車在什么樣的路面上行駛，無法限定，盡管顯而易見不同路面對(duì)于車輛的損耗是完全不同的；客戶以一種什么樣的駕駛習(xí)慣和風(fēng)格去開車，無法限定，可以預(yù)知的是不同的駕駛習(xí)慣對(duì)于車輛的損傷也是有明顯不同的；客戶對(duì)于車輛裝上怎樣的負(fù)載，哪怕有法律法規(guī)的約束，現(xiàn)實(shí)生活中的負(fù)載變異性也是非常大的，對(duì)于商用車，各種腦洞大開的“開掛”和超載比比皆是。
圖3 到達(dá)設(shè)計(jì)里程時(shí)車輛所承受載荷的巨大離散性2
 
我們?cè)谏弦还?jié)談到并意識(shí)到，車輛結(jié)構(gòu)的（高周）疲勞壽命極其敏感的隨作用在其上的載荷的變化而變化；而在現(xiàn)實(shí)生活中，由于車輛生產(chǎn)商對(duì)于客戶使用車輛的條件幾乎無法做任何有效的限定，因此，車輛在達(dá)到設(shè)計(jì)里程時(shí)所承受的載荷是非常離散的一個(gè)隨機(jī)變量。因此，車輛耐久性工程中的一個(gè)突出矛盾、問題和挑戰(zhàn)就凸顯和暴露了出來，這就是：
 
車輛疲勞壽命評(píng)估對(duì)載荷的高度敏感性，與到達(dá)設(shè)計(jì)里程時(shí)車輛所承受載荷的高度離散性之間的矛盾！
 
4 統(tǒng)計(jì)學(xué)在應(yīng)對(duì)車輛耐久性工程重大挑戰(zhàn)中的重要作用
 
如何應(yīng)對(duì)車輛耐久性工程中的這一突出矛盾與重大挑戰(zhàn)？統(tǒng)計(jì)學(xué)的重要成果在其中將發(fā)揮極其重要及核心的作用。因此，盡管本論壇的主旨是探討以車輛耐久性為代表的耐久性工程問題，可以想到后面必然會(huì)涉及到像疲勞理論、算法等方面的話題，但是，在開壇之初，我們從統(tǒng)計(jì)這樣一個(gè)角度去切入，充分運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)的一些重要成果和理論，去科學(xué)、合理的衡量和描述車輛耐久性工程中載荷的變異性，這對(duì)于應(yīng)對(duì)上面提到的車輛耐久性工程中的突出矛盾和挑戰(zhàn)，是極其重要的。
 
英國偉大的統(tǒng)計(jì)學(xué)家，R. A. Fisher爵士在1922年發(fā)表過一篇著名的論文3，把數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的任務(wù)概括為3條：
1）定模型，即確定樣本分布；
2）估計(jì)，用樣本估計(jì)模型中的未知參數(shù)；
3）抽樣分布。
Fisher爵士高屋建瓴的提出的這三個(gè)任務(wù)，同樣也是車輛耐久性工程中載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)處理所面臨的三個(gè)問題和任務(wù)，因此接下來，論壇將相繼刊載三篇文章，分別討論這三個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)的關(guān)鍵任務(wù)、相關(guān)重要成果和結(jié)論，和對(duì)于車輛耐久性工程載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的應(yīng)用。
 
參考文獻(xiàn)
1. GJB451-90，可靠性維修術(shù)語.
2. 來源于西門子工業(yè)軟件有限公司內(nèi)部資料.
3.R.A. Fisher, On the mathematical foundations of theoretical statistics, 1922.
附錄：R.A.Fisher（1890～1962），英國統(tǒng)計(jì)與遺傳學(xué)家，現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)科學(xué)的奠基人之一。
作者簡(jiǎn)介
李旭東，2003年畢業(yè)于大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位；2008年畢業(yè)于北京大學(xué)力學(xué)系固體力學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位。2008年至2014年，就職于中國航空綜合技術(shù)研究所，歷任工程師、高級(jí)工程師；2015年至今，就職于西門子工業(yè)軟件（北京）有限公司，任職耐久性應(yīng)用工程師。長(zhǎng)期專注于（金屬）材料和結(jié)構(gòu)耐久性和損傷容限分析方法研究。 
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