聲 明

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由于作者水平有限，難免疏漏，懇請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家、同行批評(píng)指正。


對(duì)于汽車耐久性工程中開展的各類試驗(yàn)可以有很多不同的分類，其中一個(gè)有益的分類是將試驗(yàn)分為“特性試驗(yàn)”（Characterizing Tests）和“驗(yàn)證性試驗(yàn)”（Verification Tests）。

特性試驗(yàn)的目的是獲得材料或者零部件某種特性，比如說強(qiáng)度試驗(yàn)、疲勞極限測(cè)定試驗(yàn)等，都可以劃歸特性試驗(yàn)的范疇，其目的不外乎對(duì)于設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證、或某種優(yōu)化改進(jìn)，或者比較材料或者零部件某方面的特性。
驗(yàn)證性試驗(yàn)的首要目的是試圖發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的一些尚未被發(fā)覺的弱點(diǎn)，從而最大可能的確保我們所設(shè)計(jì)和制造的產(chǎn)品是耐久的和可靠的，這就需要依據(jù)結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用環(huán)境下經(jīng)受的載荷合理的編制試驗(yàn)劇本——加速試驗(yàn)方案，從而讓依據(jù)這些加速試驗(yàn)方案開展的臺(tái)架試驗(yàn)，能夠?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)在實(shí)際環(huán)境和工況下經(jīng)受的損傷具有代表性。因此，一言以蔽之：耐久性工程驗(yàn)證性試驗(yàn)中臺(tái)架加速試驗(yàn)方案的編制，其實(shí)質(zhì)是損傷相似性的構(gòu)建。只有建立在這種損傷相似性前提和基礎(chǔ)上的臺(tái)架加速試驗(yàn)方案，才能在試驗(yàn)結(jié)束之后對(duì)于產(chǎn)品是否“放行”進(jìn)行明確的決策，并且這種決策才可以確保和關(guān)聯(lián)到產(chǎn)品的耐久性和可靠性。

我們?cè)谡搲型ㄟ^《運(yùn)用名義應(yīng)力法進(jìn)行高周疲勞壽命評(píng)估的基本原理及其基于TecWare Falance求解器的實(shí)現(xiàn)》1和《在名義應(yīng)力法框架下對(duì)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷作用下多軸疲勞壽命評(píng)估問題的工程解決方案及其實(shí)現(xiàn)》2兩篇文章，對(duì)于高周疲勞范疇內(nèi)、如何通過名義應(yīng)力法對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和壽命進(jìn)行評(píng)估進(jìn)行了綜述性的介紹。疲勞損傷評(píng)估在某種程度上可以說是對(duì)于結(jié)構(gòu)疲勞損傷最全面和細(xì)致的量化，因此，對(duì)于高周疲勞問題而言，這兩篇文章基本綜述性的匯集和捋順了在進(jìn)行“損傷相似性構(gòu)建”過程中所需要考慮到的所有因素。因此，我們首先基于這兩篇文章（沒有閱讀過這兩篇文章的讀者建議先讀一下論壇中的這兩篇文章1-2再閱讀本文），將損傷相似性構(gòu)建過程中所要考慮到的全部因素分門別類的匯總到下表1，然后基于這個(gè)表來理清這樣一個(gè)問題：我們?cè)诿鎸?duì)不同的試驗(yàn)臺(tái)架來合理制定加速試驗(yàn)方案的過程中，需要關(guān)注和考慮到哪些因素？或者這里面隱含和潛藏著一個(gè)更加基本的前提式問題：我們?cè)趯?shí)施結(jié)構(gòu)耐久性驗(yàn)證性試驗(yàn)的時(shí)候，應(yīng)該選擇什么樣的臺(tái)架？應(yīng)該如何確定臺(tái)架方案？這對(duì)于我們接下來的幾篇文章聚焦于“臺(tái)架加速試驗(yàn)”這一主題是重要和有益的第一步。

表1 高周疲勞范疇內(nèi)影響結(jié)構(gòu)疲勞損傷的因素匯總


我們由采用名義應(yīng)力法進(jìn)行高周疲勞壽命評(píng)估的兩篇文章出發(fā)，將影響在高周疲勞范疇內(nèi)對(duì)于金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估和量化的因素羅列出來，匯總與表1。我們將全部因素分為三大類：分別涉及幾何、材料和載荷三個(gè)類別。

與幾何相關(guān)的主要是缺口因素。我們知道1，缺口會(huì)使得結(jié)構(gòu)局部的應(yīng)力或應(yīng)變陡增，形成應(yīng)力集中，惡化結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力。我們需要通過疲勞缺口系數(shù) 來將缺口因素進(jìn)行量化，從而用基于光滑試件的S-N曲線來對(duì)于缺口結(jié)構(gòu)件的疲勞損傷進(jìn)行評(píng)估。

S-N曲線是采用名義應(yīng)力法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行高周疲勞損傷評(píng)估的基礎(chǔ)材料參數(shù)，對(duì)于某一具體的金屬結(jié)構(gòu)在高周疲勞范圍內(nèi)進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估，首先要具有涉及到的相關(guān)金屬材料的S-N曲線，，從而在載荷和損傷（或壽命）之間建立數(shù)量上的聯(lián)系。

尺寸效應(yīng)和表面質(zhì)量因素同屬于材料因素，分別通過尺寸系數(shù)和表面質(zhì)量系數(shù)將這兩個(gè)因素進(jìn)行具體的量化。

一般來說，在條件允許的情況下，我們一般要把測(cè)試對(duì)象“原原本本”的放到臺(tái)架上去進(jìn)行試驗(yàn)。所謂“原原本本”：是指把原始尺寸（而不是縮比模型）的試件放到臺(tái)架上去；是指把幾何形狀、包括所有的缺口細(xì)節(jié)都一樣的試件放到臺(tái)架上去；是指把使用的材料、加工工藝完全一樣的“原汁原味”的試件放到臺(tái)架上去。換句話說：是從生產(chǎn)流水線上抽一件產(chǎn)品原原本本的放到臺(tái)架上去。這樣就可以自然而然的保證：

·  對(duì)于各個(gè)缺口局部進(jìn)行疲勞損傷計(jì)算時(shí)牽扯到的都是一樣的

·  涉及到的材料都是一樣的，因此，牽扯到的S-N曲線都是一樣的

·  由于采用了原型試驗(yàn)，不牽扯到縮比模型的問題，因此牽扯到的都是一樣的

·  由于采用的加工工藝都是一樣的，因此與真實(shí)結(jié)構(gòu)件相比，試驗(yàn)件的表面粗糙度、表面組織結(jié)構(gòu)（是否滲碳、滲氮等）、表面殘余應(yīng)力都是一樣的，因此牽扯到的都是一樣的

這樣，我們?cè)賮砜匆幌聠屋S載荷作用下，對(duì)于結(jié)構(gòu)在高周范圍內(nèi)進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估時(shí)，將光滑試驗(yàn)件的疲勞極限修正為結(jié)構(gòu)件（含缺口）疲勞極限的關(guān)系式1：

由于是相同的（因?yàn)槿缜八?，涉及到的S-N曲線是相同的），、和也是相同的，因此，只要載荷系數(shù)也相同，將確保也相同，而只要載荷方面其它影響疲勞損傷的因素再被照顧到，將確保損傷的高度相似性！

因此，在不涉及高溫的情況下，只要將現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)結(jié)構(gòu)件“原原本本”的放到臺(tái)架上去實(shí)施耐久性臺(tái)架試驗(yàn)，在追求損傷相似性的道路上就只需要關(guān)注載荷方面的因素，這些因素?zé)o外乎：載荷是單軸的還是多軸的？載荷的幅度多大？平均值多大？是恒幅載荷還是變幅載荷？載荷引起結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)是否可以忽略（頻率因素）？

在車輛耐久性試驗(yàn)中，需要進(jìn)行的驗(yàn)證性試驗(yàn)的對(duì)象很廣，整車、系統(tǒng)、零部件都可以作為試驗(yàn)的對(duì)象，而這些對(duì)象在實(shí)際工況中所承受的載荷各不相同。有的可以近似的認(rèn)為所承受的是單軸載荷，有的如果尊重事實(shí)的話必須承認(rèn)和面對(duì)所承受的是多軸載荷；有的結(jié)構(gòu)在載荷作用下慣性效應(yīng)可以忽略，有的結(jié)構(gòu)在寬頻載荷作用下慣性效應(yīng)不能忽略。因此，面對(duì)這些不同的測(cè)試對(duì)象、所承受載荷的不同特點(diǎn)和形式，在追求和確保試驗(yàn)過程中的損傷相似性時(shí)，可以有針對(duì)性的采取不同的策略，甚至需要選用不同的臺(tái)架。這些，將構(gòu)成接下來一系列圍繞臺(tái)架加速試驗(yàn)進(jìn)行討論的文章的主題。

在這篇文章的最后，我們回頭再總結(jié)一下：

1. 在臺(tái)架試驗(yàn)過程中但凡要對(duì)加速試驗(yàn)方案進(jìn)行細(xì)致討論和精心編制的，一般來說屬于驗(yàn)證性試驗(yàn)的范疇，因此對(duì)于損傷相似性有要求和追求；

2. 除非萬不得已，一般最好是從生產(chǎn)流水線上抽出一件產(chǎn)品“原原本本”的放到臺(tái)架上作為測(cè)試對(duì)象，這樣，在制定加速試驗(yàn)方案的時(shí)候，所有的關(guān)注點(diǎn)集中于載荷，否則，會(huì)讓本就已經(jīng)很復(fù)雜的問題變得更加艱巨；

3. 本篇文章在回避高溫的問題，接下來的幾篇討論臺(tái)架加速試驗(yàn)的文章也同樣會(huì)回避高溫的問題，原因很簡(jiǎn)單：這個(gè)問題太難了。一個(gè)有益的思路是：如果所討論的結(jié)構(gòu)工作溫度明顯高于室溫，那么，需要判斷所在工作溫度區(qū)間是否會(huì)使得材料的穩(wěn)定性開始惡化。如果答案是否定的，那么也許還是幸運(yùn)的，一些適用于常溫下臺(tái)架加速試驗(yàn)的思路和方法也許還可以加以借鑒；如果答案是肯定的，那么，所面臨的將是疲勞研究領(lǐng)域非常艱難的一個(gè)話題：疲勞與蠕變交互作用時(shí)材料和結(jié)構(gòu)的疲勞壽命評(píng)估問題。這一問題解決的水平將直接影響（比如說）航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪風(fēng)扇輪盤、葉片等高溫部件和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)之所以被稱為傳統(tǒng)制造業(yè)皇冠上的明珠，還是有原因的。



參考文獻(xiàn)
1. 李旭東，《來源于西門子工業(yè)軟運(yùn)用名義應(yīng)力法進(jìn)行高周疲勞壽命評(píng)估的基本原理及其基于TecWareFalance求解器的實(shí)現(xiàn)》，耐久論壇，2020.5.10.
2. 李旭東，《在名義應(yīng)力法框架下對(duì)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜載荷作用下多軸疲勞壽命評(píng)估問題的工程解決方案及其實(shí)現(xiàn)》，耐久論壇，2020.6.14.

作者簡(jiǎn)介
李旭東，2003年6月畢業(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6月畢業(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6月至2014年12月，就職于中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，歷任工程師、高級(jí)工程師；2015年1月至2021年2月，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；2021年3月至今，就職于中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司底盤試驗(yàn)研究部耐久室，任整車耐久性能中國(guó)工況項(xiàng)目總監(jiān)。2020年1月至今，被北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院聘為兼職研究生導(dǎo)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。