【摘要】通過對試驗車輛的疲勞壽命估算，利用道路強化系數(shù)計算方法，研究汽車試驗場搓板路強化系數(shù)，為汽車可靠性強化道路試驗規(guī)范的制定、驗證和優(yōu)化提供依據(jù)。采用有限元動態(tài)仿真技術(shù)模擬汽車在試驗場搓板路的試驗過程， 仿真與試驗結(jié)果進行對比驗證，對應(yīng)的特征參數(shù)基本一致。利用有限元仿真的結(jié)果對樣車關(guān)鍵部件進行疲勞壽命分析和預(yù)測，求取試驗場搓板路面的強化系數(shù)，并得到搓板路強化曲線。研究的結(jié)果應(yīng)用于指導(dǎo)汽車路試規(guī)范的準(zhǔn)確制定，減少試驗的盲目性，增強試驗的可信度，縮短研發(fā)周期和試驗成本。 

【關(guān)鍵詞】汽車工程；強化系數(shù)；有限元仿真；搓板路；可靠性

汽車可靠性強化試驗是考核和驗證汽車可靠性、 耐久性的重要手段，試驗場各種強化路面的強化系數(shù)測定是制定可靠性強化試驗規(guī)范和對強化試驗結(jié)果進行科學(xué)評價的關(guān)鍵。強化系數(shù)也稱為加速系數(shù)或快速系數(shù)，其反映強化試驗相對于基準(zhǔn)路面條件下的強弱程度，本質(zhì)上是試驗對象在實際使用中的壽命與強化試驗中的壽命之比。汽車在試驗場搓板路上可靠性強化試驗仿真，并 計算道路的強化系數(shù)，可以指導(dǎo)汽車路試規(guī)范的準(zhǔn)確制定和優(yōu)化，縮短試驗周期，降低成本，并具有風(fēng)險小、試驗數(shù)據(jù)的重復(fù)性好的優(yōu)點。

 1 疲勞壽命估算理論和強化系數(shù)計算方法 

疲勞壽命預(yù)測算法采用Smith-Watson-Topper(簡稱 SWT )方程，并考慮了平均應(yīng)力的影響。疲勞壽命分析是基于Palmgren-Miner線性累積損傷法則(簡稱 Miner 法則)，其形式簡單、使用方便，在工程分析中應(yīng)用廣泛。 1．1 Smith-Watson-Topper方程 考慮平均應(yīng)力對疲勞壽命影響的 SWT 方程：

式中，

為最大應(yīng)力值；

為對應(yīng)的應(yīng)變量；b 為疲勞強度指數(shù)；c 為疲勞延性指數(shù)；

為疲勞延性系數(shù)；

為疲勞強度系數(shù)；

為載荷反向次數(shù)(也稱失效的半周期數(shù))。(1)

為載荷的周期數(shù)，即載荷循環(huán)的次數(shù)，以此來表達(dá)試驗樣件的疲勞壽命；(2)

用以修正實際測試條件下的非零平均應(yīng)力對樣件疲勞過程的影響。如果應(yīng)力和應(yīng)變是從線彈性分析中得到，則需要經(jīng)過 Ginka 能量密度法計算得到真實的應(yīng)力和應(yīng)變，才能應(yīng)用到方程中。 1．2 Palmgren-Miner線性累積損傷法則 線性累積損傷法則基于如下假設(shè)：試樣受交變載荷的作用產(chǎn)生變形，所吸收的能量達(dá)到極限值時產(chǎn)生疲勞破壞，且試樣吸收的能量與交變載荷的循環(huán)次數(shù)成正比。例如，有一作用在試樣上產(chǎn)生應(yīng)變的應(yīng)力

,其實際循環(huán)次數(shù)為

時，試樣吸收的能量為

，其中 j= l，2，…，則該假設(shè)可以表達(dá)為：

式中，W 為試樣破壞前可吸收的總能量；N 為應(yīng)力

作用時試樣破壞前總循環(huán)數(shù)。 因此，試樣在某一應(yīng)力和應(yīng)變下的疲勞壽命可以用極限循環(huán)次數(shù)來表達(dá)。 如果試樣的加載歷史由

個不同的應(yīng)力

構(gòu)成， 各應(yīng)力條件下的疲勞壽命為

，實際循環(huán)次數(shù)為

，其中

根據(jù)線性疊加原理和線性累積損傷法則的假設(shè)，試樣實際吸收的總能量為

，即作用于試樣上產(chǎn)生應(yīng)變的多個應(yīng)力造成疲勞失效的總效果相當(dāng)于每個應(yīng)力作用效果的疊加，這就是線性累積損傷法則。可以得出：

試樣疲勞損傷值的表達(dá)式可以定義為：

當(dāng)疲勞損傷值D =1時，試樣吸收的累積能量

達(dá)到極限值W，試樣發(fā)生疲勞破壞。1．3強化系數(shù)的計算 VPG 仿真預(yù)測的疲勞壽命以循環(huán)次數(shù)表示，當(dāng)仿真時間和速度不同時，相同的循環(huán)次數(shù)會得到不同的里程數(shù)，無法進行比較，可以根據(jù)公式(5)換算成壽命里程，而且表達(dá)更為直觀。

式中，N 為循環(huán)次數(shù)；L 為行使里程；v 為仿真設(shè)定的速度；t為仿真設(shè)定的時間。 采用試驗場瀝青路面替代普通城市路面進行強化系數(shù)的估算，設(shè)瀝青路的強化系數(shù)為1，即汽車在瀝青路面上進行可靠性試驗視為與普通城市道路行駛等同，則其他強化路面相對于瀝青路面的強化系數(shù)可以表達(dá)為：

式中，

為樣件在瀝青路面試驗的疲勞壽命；

為樣件在其他強化路面試驗的疲勞壽命。 2 汽車在搓板路可靠性試驗仿真 2．1系統(tǒng)有限元建模與仿真 根據(jù)汽車道路試驗的特點，在不影響精度的前提下，系統(tǒng)建模的重點主要包括車身的結(jié)構(gòu)、行駛系統(tǒng)等；在駕駛員與副駕駛員位置、前后車門、行李箱等部位施加了集中質(zhì)量載荷。仿真系統(tǒng)有限元模型如圖1所示。

試驗場搓板路面來源于實際試驗路面的三維實體建模及其有限元網(wǎng)格劃分，仿真的整車模型是在某車型白車身的基礎(chǔ)上，增加了發(fā)動機、懸架和輪胎等主要構(gòu)成部件，并創(chuàng)建用于車身疲勞和壽命分析的輪胎模型，整車共212個部件、68 626個節(jié)點、65 138 個單元。 設(shè)置仿真速度為30、40、50、60、70 km/h，輪胎和路面的為點一面(NODES-TO-SURFACE)接觸，輪胎接觸類型設(shè)置為INTERIOR，以避免輪胎模型中的橡膠材料的體單元在計算過程中出現(xiàn)負(fù)體積以及節(jié)點速度無限大等問題。為了控制由單點積分引起的沙漏，保證求解精度，設(shè)置沙漏系數(shù)為0.1，仿真過程設(shè)定為0.6 s。 2．2仿真結(jié)果的試驗驗證在車速為50 km/h的條件下進行試驗和仿真，采集中央通道的 X、Y、Z 方向的加速度信號進行對比驗證，如圖2所示。

通過中央通道的仿真和試驗的加速度曲線對比分析表明，建立的汽車一搓板路仿真模型能夠較真實地再現(xiàn)試驗結(jié)果，所建模型和仿真數(shù)據(jù)有較高的精度，滿足工程應(yīng)用的要求。3 疲勞壽命分析與強化系數(shù)計算 3．1疲勞壽命分析 車輛分別以5種車速在瀝青路和搓板路上進行仿真，并針對汽車的后橋、擋泥板、副車架、前地板進行疲勞分析和疲勞壽命計算。 疲勞壽命云圖能夠清晰表達(dá)車輛及其零部件動態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變以及疲勞失效情況，其中車輛前地板在各速度條件下的疲勞壽命云圖，如圖3所示；車輛其他部件與前地板的疲勞壽命云圖具有相似的規(guī)律性。 

車輛的前地板在各速度條件下的疲勞壽命云圖可以看出： (1)疲勞損傷主要集中在前排座椅的正下方的位置，貼近車身兩側(cè)的B柱；(2)在相同速度條件下，瀝青路的疲勞損傷范圍和程度都小于對應(yīng)搓板路的結(jié)果；(3)瀝青路仿真試驗結(jié)果表明，隨著車速的增加，疲勞損傷范圍擴大、損傷程度加深，疲勞損傷結(jié)果具有明顯的規(guī)律性；(4)搓板路仿真試驗結(jié)果表明，隨試驗車速的增加，疲勞損傷范圍擴大、損傷程度加深，在車速為 50 km/h 時達(dá)到最大值；隨車速的繼續(xù)增加，疲勞損傷范圍縮小，損傷程度減弱，在70 km/h之后的疲勞壽命云圖與瀝青路面試驗接近。 因此，汽車在搓板路上進行可靠性試驗過程中， 搓板路具有加速和強化零部件疲勞損傷作用，強化程度與試驗車速相關(guān)。對比不同速度對同一零件疲勞壽命的影響，能夠反映車速和疲勞壽命以及搓板路強化程度的關(guān)系。 試驗樣車在瀝青路上行駛的主要零部件疲勞壽命曲線，如圖4所示。 

圖4可以看出，在低速階段不同零部件的疲勞壽命有較大的差距，隨速度的增加，疲勞壽命及其差距減小、疲勞損傷加劇。試驗樣車在瀝青路上行駛的主要零部件疲勞壽命曲線，如圖5所示。

圖4和圖5曲線對比可以看出，搓板路面試驗具有明顯的強化作用，隨車速的增加，存在最佳強化的速度范圍，本例為50 km/h 時試驗車輛及其主要零部件的疲勞壽命最小。3．2強化系數(shù)和強化曲線強化系數(shù)也稱為快速系數(shù)，其反映強化試驗相對于基準(zhǔn)條件下的強弱程度。仿真得到疲勞壽命通過公式(4)計算搓板路強化系數(shù)，不同車速下的強化系數(shù)為強化曲線，試驗樣車主要零部件搓板路強化曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，汽車在搓板路上進行可靠性強化試驗有一定的規(guī)律性： 第一、搓板路面對車輛不同部位的強化系數(shù)不同； 第二、隨速度的增加，強化系數(shù)先增大后減小，存在強化程度的最大值。 在實際試驗過程中，搓板路試驗循環(huán)多次反復(fù)， 很難保證相同的試驗速度；同時，有效試驗速度需要盡量兼顧車輛不同部件的強化程度和強化效率的要求。因此，有效速度一般確定為一個速度范圍(車輛內(nèi)部的車速表可以分辨，駕駛?cè)藛T可以感覺到明顯的不同。 因此，針對此虛擬試驗樣車，速度在50~60 km/h 這個范圍內(nèi)時，搓板路的強化作用較大、強化效率較高，可以確定為最佳有效車速范圍。 

4 結(jié)論 

汽車試驗場的可靠性強化試驗，在路面的強化性能不失真的條件下，最大限度的加速對應(yīng)于該路面的車輛及其部件的可靠性、耐久性考核，但存在著成本高、周期長、重復(fù)性差、獲取數(shù)據(jù)不足等缺點。利用有限元仿真的方法對樣車關(guān)鍵部件進行疲勞壽命分析，在保證仿真精度的前提下，對樣車關(guān)鍵部件的疲勞壽命進行分析和預(yù)測，求取試驗場搓板路面的強化系數(shù)，能夠指導(dǎo)汽車路試規(guī)范的準(zhǔn)確制定和優(yōu)化，減少試驗的盲目性，增強試驗的可信度，縮短研發(fā)周期和試驗成本，有效解決實車道路試驗所存在的問題。研究表明，試驗場搓板路的強化系數(shù)與試驗車速、零部件的疲勞壽命密切相關(guān)。