不知道為什么小時候的我經(jīng)常遇到需要弄斷鐵絲卻沒有老虎鉗也沒有小李飛刀的直接考驗(yàn)我智商的高光時刻。雖然顯然不能像非洲朋友那樣牙咬手撕但我也不是沒試過當(dāng)然最后結(jié)局都是沒成功。后來可能是因?yàn)槌粤思依镂ㄒ蝗澆穗u蛋腦細(xì)胞發(fā)育了發(fā)現(xiàn)反復(fù)折彎再反復(fù)折彎鐵絲就會突然斷了。至于鐵絲為什么會突然斷了我不知道反正就是斷了。再后來改革開放了日子好了能吃上豬肉了腦子也發(fā)育的差不多了其中的緣由也就慢慢的明白了。
一根鐵絲，想要徒手拉斷或者瞬間折斷那幾乎是不可能的，但是如果你將它反復(fù)折彎很多次便可以把它折斷。這其實(shí)就是鐵絲被整疲勞了，發(fā)生了疲勞破壞。因?yàn)殍F絲等金屬件在生產(chǎn)加工過程中會出現(xiàn)各種缺陷，比如宏觀的氣孔、雜質(zhì)、表面劃痕以及微觀的晶體位錯、滑移帶等。在外力作用下這些缺陷處會出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，當(dāng)局部應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時便會萌生微裂紋，這些微裂紋在交變載荷作用下逐漸擴(kuò)展，當(dāng)擴(kuò)展到一定程度時突然斷裂。
鐵絲的疲勞破壞過程中交變載荷水平較高，塑性應(yīng)變起主導(dǎo)作用，疲勞壽命較短，屬于應(yīng)變疲勞或低周疲勞；當(dāng)交變載荷水平較低，彈性應(yīng)變起主導(dǎo)作用時，疲勞壽命較長，屬于應(yīng)力疲勞或高周疲勞。高周疲勞在日常生活中更加普遍，因其交變載荷小，沒有明顯的塑性變形等前兆，不容易提前發(fā)覺，所以具有更大的危險性。美國空軍的一架F-15戰(zhàn)斗機(jī)曾經(jīng)在模擬空戰(zhàn)時就出現(xiàn)了驚險的一幕，事故造成美軍F-15戰(zhàn)機(jī)大面積停飛，調(diào)查結(jié)果顯示，事故起因于飛機(jī)上的一根金屬縱梁發(fā)生了疲勞破壞。
圖1 F-15戰(zhàn)機(jī)疲勞破壞（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
汽車作為我們?nèi)粘Ｉ钪蟹浅Ｖ匾拇焦ぞ?，也是由大量金屬件?gòu)成的。當(dāng)汽車行駛在道路上時由于路面的不平整，車身結(jié)構(gòu)會受到交變載荷作用，從而產(chǎn)生微裂紋并逐漸擴(kuò)展。為了保證車身在整個設(shè)計生命周期內(nèi)不發(fā)生疲勞破壞，我們需要對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞耐久性能評估。評估方法可分為試驗(yàn)法及CAE（Computer Aided Engineering）仿真分析法，實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)過程中，兩種方法相結(jié)合使用。在項(xiàng)目開發(fā)前期，樣車試制前的產(chǎn)品設(shè)計階段，通過CAE仿真分析識別出疲勞耐久性能危險部位并進(jìn)行迭代優(yōu)化，直到疲勞耐久性能合格。然后按照優(yōu)化好的數(shù)據(jù)進(jìn)行樣車試制，之后進(jìn)行樣車臺架試驗(yàn)及試車場道路試驗(yàn)。整個流程大致如下：
1、路譜載荷獲取
CAE疲勞耐久仿真分析需要提供載荷信息輸入，即汽車在道路上行駛時的受力情況。目前普遍做法是利用六分力儀采集輪心力，然后利用多體動力學(xué)軟件建立整車動力學(xué)模型，將采集的輪心載荷分解到與底盤相連的車身硬點(diǎn)位置作為車身疲勞耐久仿真的載荷輸入。通過這種方法得到的載荷信息稱為實(shí)采路譜載荷。由于實(shí)采路譜載荷的采集必須等到試制車輛制造完成后才能進(jìn)行，為了降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，越來越多的汽車公司開始使用3D虛擬路面技術(shù)采集載荷。采用激光掃描設(shè)備，對實(shí)際路面進(jìn)行三維掃描和建模，得到虛擬數(shù)字路面模型[1]。然后通過多體動力學(xué)分析軟件在數(shù)字路面上進(jìn)行整車動力學(xué)分析，輸出車身硬點(diǎn)的載荷作為車身疲勞耐久仿真的載荷輸入。通過這種方法得到的載荷信息稱為虛擬路譜載荷。
2、仿真模型建立
利用有限元軟件建立車身有限元網(wǎng)格模型及相應(yīng)的焊點(diǎn)、粘膠、螺栓等連接關(guān)系，對各個件賦予相應(yīng)的材料屬性并在與底盤相連的車身硬點(diǎn)位置施加載荷，得到車身疲勞耐久仿真模型。車身疲勞耐久問題一般都屬于高周疲勞，目前普遍采用準(zhǔn)靜態(tài)法進(jìn)行線性應(yīng)力求解計算，作為后續(xù)疲勞耐久計算的輸入。
圖2 車身疲勞耐久仿真模型
3、疲勞仿真分析
通過疲勞仿真分析軟件將上一步計算的應(yīng)力結(jié)果和相應(yīng)的疲勞材料屬性相結(jié)合，導(dǎo)入路譜載荷并按特定的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行疊加計算，便可得到相應(yīng)的疲勞損傷結(jié)果。損傷即載荷對材料造成的傷害，最常用的是Miner線性損傷累積法則。根據(jù)該損傷法則，零件在外界作用力循環(huán)作用下，零件吸收能量達(dá)到最大值產(chǎn)生疲勞破壞，若試樣加載歷史所產(chǎn)生的應(yīng)力水平為σ1, σ2, …, σi，各應(yīng)力水平下的疲勞壽命相應(yīng)為N1,N2,...,Ni，各應(yīng)力水平下的循環(huán)次數(shù)相應(yīng)為n1,n2,...,ni。則Miner線性損傷表達(dá)式為：
式中：D為總的損傷量；l為變幅載荷的應(yīng)力水平等級；ni為第i級載荷的循環(huán)次數(shù)；Ni為第i級載荷下的疲勞壽命[2]。
根據(jù)miner線性損傷累積法則，如果仿真結(jié)果顯示某處的總損傷值D≥1，則表明該處將發(fā)生疲勞破壞，需要采取相應(yīng)的優(yōu)化方案進(jìn)行優(yōu)化。
4、臺架疲勞試驗(yàn)
為了盡早發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行快速整改驗(yàn)證、減少道路試驗(yàn)失效風(fēng)險和試驗(yàn)輪次，通常會在道路疲勞試驗(yàn)之前采用24通道整車道路振動模擬試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行臺架疲勞試驗(yàn)[3]。24通道在垂向、縱向及側(cè)向上都可以很好地復(fù)現(xiàn)路面對整車的激勵，可以對車身結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞耐久性能考核。相對于試車場道路疲勞試驗(yàn)，臺架疲勞試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，不易受外界因素影響，數(shù)據(jù)一致性及結(jié)果重復(fù)性好，能夠較好地完善驗(yàn)證CAE分析[4]，而且能在較短的時間內(nèi)完成試驗(yàn)，可為項(xiàng)目節(jié)省成本和時間，有效提高項(xiàng)目開發(fā)效率。
圖3 24通道臺架疲勞試驗(yàn)
5、道路疲勞試驗(yàn)
由于影響疲勞耐久性能的因素很多，僅依靠CAE仿真分析及臺架疲勞試驗(yàn)難以把所有的因素都考慮在內(nèi)，所以最終都要通過實(shí)際的道路試驗(yàn)來確保疲勞耐久性能滿足使用要求。試驗(yàn)樣車在試車場內(nèi)特定的試驗(yàn)道路上，按照特定的試驗(yàn)規(guī)范駕駛來重現(xiàn)汽車在整個設(shè)計生命周期內(nèi)的疲勞損傷。試車場用于疲勞耐久試驗(yàn)的主要道路有：比利時石塊路、卵石路、魚鱗坑路、搓板路、起伏路、搖擺路、破損路、方坑、標(biāo)準(zhǔn)坡道等，通過這些道路能夠模擬客戶實(shí)際使用中的典型路面工況，進(jìn)而達(dá)到考核產(chǎn)品疲勞耐久性能的目的。試驗(yàn)規(guī)范的制定是通過采集客戶的實(shí)際使用數(shù)據(jù)，然后結(jié)合試車場特定耐久性道路，通過調(diào)整在不同路面上的車速和循環(huán)次數(shù)，達(dá)到等效客戶實(shí)際使用時的疲勞損傷。為了縮短試驗(yàn)周期，試車場疲勞耐久試驗(yàn)一般按照4~10倍的系數(shù)強(qiáng)化[5]，下圖為道路疲勞試驗(yàn)的部分典型路面。
圖4 道路疲勞試驗(yàn)典型路面（圖片源自網(wǎng)絡(luò)）
試驗(yàn)過程中若出現(xiàn)疲勞失效問題，則要根據(jù)具體失效情況進(jìn)行具體分析及優(yōu)化，必要時需要在優(yōu)化的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行道路試驗(yàn)，以消除潛在的疲勞失效風(fēng)險。
參考文獻(xiàn)
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[2] 王國軍.MSC.Fatigue疲勞分析實(shí)例指導(dǎo)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.
[3] 李張銀.整車道路模擬與道路試驗(yàn)關(guān)聯(lián)研究[J].汽車零部件,2013.
[4] 閆躍奇等.乘用車C柱內(nèi)板開裂分析以及改進(jìn)措施[J].汽車零部件,2016.
[5] 王繼光.汽車耐久性試驗(yàn)[J].硅谷,2011.
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