強化係數

利用整車在虛擬路面的仿真分析，對零部件的疲勞壽命進行預測，進而計算強化係數。採用測量計算法研究了強化係數，對汽車主要零部件承受的載荷、應力或應變進行測量，根據疲勞損傷相等原則，通過統計分析用疲勞損傷理論來估算強化係數。通過故障統計的方法研究了強化係數，提出在大多數情況下強化係數是隨行駛里程起點、行駛里程區間度不同而變化的，可表示為行駛里程的函數。對新車定型試驗來説，起點和終點固定，強化係數也是定值。 ^[1] 

據此制定的試驗場可靠性強化試驗規範亦只能適用於具體的車型，且試驗車速發生變化後，試驗規範無法調整，缺乏適用性，導致試驗結果誤差增大。試驗場可靠性試驗的強化係數受車速、質量及軸距等因素的影響，是一個變化的量。 ^[1] 

仿真所用整車模型是在某車型白車身的基礎上，增加了發動機、懸架和輪胎等構成。根據汽車道路試驗的特點，在不影響計算要求和精度的前提下，應儘可能地減少模型的單元數，以減小運算成本。

路面模型依據試驗場路面數據建立，試驗場搓板路分為標準搓板路和交錯搓板路兩種類型。標準搓板路又根據波長、波峯的不同分為重度搓板路、中度搓板路和輕度搓板路3種形式。 ^[1] 

1　車速與質量對強化係數的影響：

應用VPG軟件對樣車前地板不同工況下的疲勞壽命進行預測，其中車速的變化參照交通運輸部公路交通試驗場試驗規範，質量的變化參照某汽車公司轎車的質量。

車輛質量變化是改變車身質量得到的，被測部件上集中質量的分佈及大小均未改變。將車輛簡化為單自由度線性振動系統，路面不平度作為系統激勵，對於相同的搓板路來説，路面不平度位移輸入相同，即系統激勵相同。隨着質量的增加，車輛垂直振動受到抑制，引起的損傷減小，疲勞壽命增加。 ^[1] 

2　軸距及車速對強化係數的影響：

隨着車速的變化，各種軸距下的強化係數隨車速的變化規律與各種車輛質量下的強化係數變化規律完全相似。各軸距下的強化係數變化趨勢一致。

各車速下的強化係數總體變化趨勢一致，與質量對強化係數的影響相反。隨着軸距的增大，強化係數總體呈 上升趨勢。 ^[1] 

1）隨着車速的增大，各質量和軸距下的強化係數變化趨勢一致，強化係數經歷了一 個先增大後減小的過程，並同時在車速為50km/h時達到峯值。質量和軸距的變化並未改變強化係數的變化趨勢，説明車速對強化係數的變化起決定作用。車速為50km/h時，搓板路的激勵頻率為24.0Hz，搓板路強化作用最為苛刻。根據 K－v曲線可以預測，車速很低或很高時，搓板路將失去強化作用。

2）隨着質量的增大，各車速下的強化係數變化趨勢一致，強化係數呈下降趨勢。被測部件質量不變。增加車身和車架質量，搓板路上被測部件垂直振動受到抑制，引起的損傷減小，搓板路強化作用減弱。根據K－m曲線可以預測，車速較高時，隨着質量的增加，搓板路將失去強化作用。 ^[1] 

疲勞失效是指零件在經歷一定循環加載之後，產生裂紋並最終失效（斷裂）。在產品設計階段，對產品進行耐久性分析主要採用有限元法；在產品檢驗階段，耐久性分析主要通過振動試驗枱試驗。 ^[2] 

一般尺度法認為結構在原始載荷下的應力功率譜和強化載荷後的應力功率譜具有相同的譜形狀和頻率範圍，而且使得它們所對應的譜矩具有相同比例關係。由於Dirlik 疲勞損傷模型只與0、1、2 和4階譜矩有關，所以結合一般尺度法與Dirlik 疲勞損傷模型就可以得到強化載荷前後疲勞壽命之間的強化關係——寬帶隨機過程下的疲勞強化係數模型。 ^[2] 

為了驗證寬帶隨機過程疲勞損傷模型的有效性，首先通過有限元分析獲得懸臂樑危險點在兩種不同載荷下的應力功率譜。接着採用三角級數法對兩種不同載荷下應力功率譜進行時域模擬。 ^[2] 

1）確定危險點的應力譜：

通過有限元分析可以確定危險部位的位置，並得到危險部位的應力響應功率譜圖。分別為原始載荷的應力功率譜圖和強化載荷的應力功率譜圖。

2）應力譜時域模擬：

三角級數法也稱諧波疊加法，是一種成熟的時域模擬方法，適用於各種譜形隨機過程的時域模擬，基本思想是採用離散譜逼近目標隨機過程的模擬。 ^[2] 

3）雨流計數：

將不規則的隨機的載荷-時間歷程，轉化成為一系列循環的方法，稱為“循環計數法”。採用簡單實用且與變幅循環載荷下的應力-應變響應一致的雨流計數法。

4）平均應力修正：

平均應力大於零表示拉伸平均應力，S-N 曲線下移，表示同樣應力幅值作用下的壽命下降，或者説在同樣壽命下的疲勞強度降低，對疲勞有不利的影響。 ^[2] 

適用於寬帶隨機過程的疲勞強化係數模型進行有關寬帶隨機過程的加速疲勞試驗，只需在知道材料參數m 的前提下按照一般尺度法將原始加速度功率譜按照同等比例進行放大作為強化後的加速度功率譜載荷進行疲勞試驗。 ^[2] 

（1）從模型驗證的結果來看，該疲勞強化模型能較好的預測載荷強化之後的疲勞壽命；

（2）疲勞強化係數只與材料的S-N 曲線在雙對數直線圖中的斜率有關；

（3）該疲勞強化係數模型是基於Dirlik 模型推導出來的，所以也只適用於平穩高斯信號，並不適合非高斯信號。 ^[2] 

測定摩托車各主要部位在平坦道路、顛簸路、正弦波路、鵝卵石路和比利時路上的載荷時間歷程，採用雨流分析軟件及數理統計方法得到載荷分佈形式。根據疲勞特性曲線和各種路面的程序載荷譜，採用修正的 Miner 線性累積損傷理論計算各種路面的疲勞壽命，得到摩托車各部位的強化係數。通過 150×10⁴ km 的摩托車行駛故障統計，根據導致故障的不同原因，得出摩托車各主要部位在進行整車強化係數估算時的權重。使用層次分析法進行摩托車各主要部位的權重計算，從而得到摩托車整車在各種強化路面上行駛時相對於平坦路面的強化係數。 ^[3] 

1 強化係數的數學模型 ：

用測定計算法估算強化係數是以疲勞壽命的估算為前提的，而載荷譜和 S-N 曲線是壽命估算的依據。

疲勞壽命的估算 ：當實測隨機載荷的歷程較短時，在對被測道路進行部分採樣後，往往用數理統計的原理把實測隨機載荷處理成累計頻次曲線(總累計頻次一般為 10⁶)，然後按照某種比例關係將幅值分成若干等級的階梯譜，稱為程序載荷譜。 ^[3] 

2 數據的採集 ：

1） 測試點的選擇 ：根據以往的可靠性試驗所得到的故障結果部位和故障點，以及摩托車在路面行駛時對路面激勵較為敏感的部位，即騎式車和踏板車的立管軸向、主樑、副梁1、副梁2、副梁3和貨架為測試點。

2） 採樣試驗 ：在採樣開始之前，對樣車依據 GB/T5378—1996的要求進行調整，輪胎氣壓為廠定壓力，試驗時由 1名駕駛員駕駛，除必要設備外無其他載重。 ^[3] 

3 實驗數據處理 ：

1） 採樣數據的數理統計 ：通過安裝在 2 台摩托車上的振動測試分析系統，在採集過程中直接將結果存儲在計算機中，供後期分析處理。

2） 採樣數據的雨流分析 ：

在實測的應變-時間歷程中除主要的工作載荷以外，還常伴有一些次要的載荷影響，這些次要的影響常表現為高階小量循環，在進行雨流分析時應予以省略。

4 各測點強化係數的估算：

疲勞指數m的值對強化係數的影響較為敏感。具體到某一零部件，其m值往往受到材料成分、熱處理、焊接、幾何形狀的不連續性和表面狀況等因素的影響。 ^[3] 

摩托車各部分的權重由上述故障統計分析得出，但這裏的權重是在把各測點孤立後得到的，而實際使用中，這些點是相互影響的，因此，需要根據各測點之間的相互關係重新計算權重。 ^[3] 

(1) 在顛簸路、鵝卵石路、比利時路等特殊試驗路面上進行可靠性試驗，與平坦路面相比，可以強化路試強度。

(2) 同一車輛不同部位的強化係數不同，不同車輛相同部位強化係數也不相同。 ^[3] 

(3) 騎式車在顛簸路等強化路面的強化係數為3.73～7.58，在顛簸路上強化係數最大，在小正弦波路上強化係數最小。

(4) 踏板車在顛簸路等強化路面的強化係數為2.57～5.14，在顛簸路上強化係數最大，在小正弦波路上強化係數最小。 ^[3]