教你制定疲劳耐久实验方法！车辆底盘零件Ncode路谱转台架实例讲解

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导读：大家好，我是一名资深底盘仿真工程师，擅长adams多体分析、optistruct刚强度、疲劳、模态等分析、abaqus非线性分析。近日我注册并认证了仿真秀专栏作者——巳钺，将在仿真秀为企业、工程师个人和高校学子提供视频教程，技术培训和咨询服务等。

一、写在文前

底盘件台架疲劳试验是底盘零件开发过程中，一个极为重要的环节。一个高可靠度的台架耐久试验，可以尽早暴露产品的前期设计缺陷和评估产品的设计冗余度，前者可以帮助设计工程师对产品进行针对性的设计优化，避免零件在路试过程中出现开裂等疲劳问题，而后者则可以帮助工程师来评估产品是否能够进行降本减重，所以，如何制定高可靠度的疲劳耐久实验方法，是大多数产品工程师和试验工程师，所共同面临的问题。而在通常情况下，零部件台架耐久试验方法来自于试验场的常规耐久试验，而试验场的常规耐久试验方法来自于用户路面，其相互之间遵循损伤等效原则。

用户路面、试验场路面和台架试验的等效关系

所以对任一个底盘零件台架疲劳耐久试验，只需要基于试验场载荷，来制定具体的试验方法即可，本篇文章的目的在于研讨该过程。

二、台架疲劳耐久试验方法

零部件耐久试验方法主要由载荷（行程）大小和循环次数两部分组成，如下表1是某车型底盘横向稳定杆（图1）的疲劳耐久试验要求：

表1 某车型横向稳定杆疲劳耐久试验要求

图1 某车型横向稳定杆示意图

表1中的台架试验为级数为3的台架试验，其背后所对应的，就是图1稳定杆所经历的常规耐久试验所能产生的损伤，而常规耐久试验则对应用户10年16万公里不损坏的行驶需求，换句话说，如果稳定杆能满足上述三级Block 台架试验要求，则到了用户手里，就能保证10年16万公里的行驶需求而不断裂，这就是一个零件高可靠性的路谱转台架的意义所在。

三、试验场载荷转台架Block的核心准则

用户路面转试验场路面暂且略过不提，我们重点讨论试验场载荷转台架 Block。下表2为某车型横向稳定杆在一些典型试验场路面下的载荷。

表2 某车型横向稳定杆在部分典型路面上的随机载荷谱（实际上这里放的是微应变谱）

我们对动态载荷进行观察，就会发现大多数动态载荷存在随机性，即无明显的规律可以寻找。针对这种无明显规律的随机动态载荷谱转台架疲劳耐久载荷，通常有三个核心准则：

准则1——雨流计数法：雨流计数法大约在上个世纪 50 年代就被发明出来，其发明的目的就是为了应对随机动态载荷转变为规则Block。虽然很多资料将雨流计数法进行了长篇大论，但从本质上来说，雨流计数法就是将一组随机数据的均值和峰值进行筛选统计的一种方法。而就基于目前工业界认可的理论，除SN 曲线外，载荷的均值和峰值，就是决定产品疲劳寿命的关键影响因素。

准则 2——Miner法则，也叫线性损伤累计叠加法则。在转谱过程中，其主要解决的问题是，同一辆车以相同的车速在同一路面行驶不同的圈数，那么每圈所产生的损伤，基于Miner法则，则可认为是一样的，而且还可以线性叠加，例如跑比利时路一圈，某零件产生的损伤是0.1，那么跑10圈，就可以认为产生的损伤为1。

准则 3——（伪）损伤等效原则：损伤等效原则用在什么地方呢？一个是当我们用雨流计数法手动统计出时域随机载荷的均值、峰值和循环次数之后，还需要进一步去计算确认，转完的Block和随机时域载荷是否等效，这个时候就需要使用损伤等效原则了。

其使用的方法是：分别计算Block的损伤和随机时域载荷所对应的损伤，如果计算结果相等，则我们认为损伤等效，该Block等同于随机时域载荷，当然如果两者计算损伤有差异，则可以对 Block 的次数作适当修正，来满足等效损伤。另一个是当试验场路面中，随机路面过多时，我们最后用雨流计数法统计出来的均值和幅值的级别会比较多，以底盘件为例，当我们转化出来的block 级数超过9的时候，就需要对其进行缩减了，一个9级以上的Block，会对台架的效率造成极大的降低。在这种情况下，我们需要基于损伤等效原则对峰值进行修订，此时可以对峰值进行简单修订，但禁止对均值进行修订。鉴于真实SN曲线的非线性，伪损伤等效修订只能认为近似等效，而不能认为是绝对等效，这也是伪损伤转 Block 的一个问题点。

通常情况下，基于上述三个核心准则，结合ncode软件的glyphworks模块，就可以实现各个路面的转谱过程。上表2所展示的稳定杆的随机载荷谱，用ncode转化后的结果如下表3：

表3 某车型横向稳定杆在部分典型路面上的台架Block

通常情况下，一个完整的常规耐久路试试验，一般包含十几个以上的路面，将稳定杆在所有耐久路面上的动载载荷都进行转谱处理，结合整车在每条路面的路试循环次数，最终得到如下图2的的台架Block。

图2 某车型常规耐久路试对应的台架Block

四、转谱过程中的常见问题及解决方法

在转谱过程中，经常会遇到如下几个问题：

Q1：上述转谱过程中，用的是伪损伤，计算损伤使用的SN曲线不是真实材料的SN曲线，那能否在转谱过程中，使用真实的SN曲线，利用真损伤来进行计算？

A1：首先肯定的说，这个思路理论上可以，而且如果操作得当，实际上转谱精度比伪损伤要高，但是实际过程中并不推荐。原因如下：

1、SN 曲线的问题：真实SN曲线测试成本较高，难度较大，通常为了保证SN曲线的可靠度，通常需要同一个应力下，需要做多组试验，然后基于威布尔分布来进行可靠度计算，同时，为了测试整条SN，还需要做不同应力下的材料寿命测试，所以实际过程中，我们去用试件去测试SN曲线，在保证高可靠度的前提下，得到准确的SN曲线，其难度是很高的。另外，真实的SN曲线除了跟材料本身有关，还跟热处理类型（相同的材料，不同金相组织，SN曲线修正系数不一样）、载荷类型（拉压、扭转和弯曲对材料SN的修正系数不一样）、表面粗糙度以及零件截面形状等多种因素相关，得到产品准确的SN曲线，难度极高，这也是FEA疲劳仿真分析难以保证高精度的核心因素之一。所以用伪SN曲线来进行相对计算，可以提升转谱效率，降低转谱难度。

2、名义应力修正问题：在疲劳预测领域，名义修正被发明出来的初衷，主要是为了降低SN曲线的测试难度以及真实寿命的预测难度，某种程度上可理解为是对整个真实寿命计算的一种简化，我们可以想象一下，如果没有名义应力修正的概念，最有可能的平替方法会不会是查表？！因为存在名义应力修正，那我们在测试SN曲线的时候，通常只需要测试应力比为-1 的SN曲线，如果没有名义修正的概念，那么SN曲线的测试难度，就会呈指数级增长（需要测试更多不同应力比下的SN）。

其次，名义应力修正法的选择选择问题，已知的名义应力修正的方法比较多，主流的就有Gerber、Gerber2、Goodman 等，此外还有很多“非主流”的修正方法，那么具体选哪种，哪种精度更高，也是对工程师的一种考验。再次，就是名义应力修正方法论本身精度存疑，对于名义应力修正方法，虽然是工业界认可且常用的方法，但是对于实际的精度，我认为还是要存疑的，所以，实际上当名义应力修正不是必须的时候，我们跳过该过程，在某种程度上，也算是一条捷径了。当然，相对应的，不考虑名义应力修正的时候，Block 的中值只能来自于雨流计数法的统计值，即禁止随意更改。

Q2：Block 级别为什么要转多级，只转一级是否可行？

A1：不可行。原因在于：

1、中值问题，我们知道，均值只能来自雨流计数法，而不能进行更改，而不同路面的载荷，其中值无法保证完全一样，而中值又是影响零件真实寿命的决定因素，不可随意更改，这就导致我们无法转一级谱。顺带一提，中值不同，是很多零件会转出多级谱的一个核心因素。

2、应力的非线性问题，实际的SN曲线并非纯线性，很多时候实际上是双线性或非线性，所以只用一级谱去等效损伤，属于人为降精度，准确的做法就是使用雨流计数法统计出来的峰值及均值。

Q3：某些零件接附点比较多，一个点存在6个方向，外加不同的路面，转化工作量非常大，这种是否有必要对所有的路面和通道都进行Block转化？

A3：非必要，在拿到随机载荷谱并开始转谱工作前，需要对产品的主受力方向进行识别，如螺旋弹簧，其主受力为轴向拉压，则只需要去转轴向拉压方向的谱即可；横向稳定杆，主受扭转载荷，那么就只需要转扭转方向的谱即可；二力杆臂类零件，如转向拉杆，稳定杆连接杆，拉杆类控制臂等，主要沿杆件本体方向受力，则只需要转杆件本体方向的力即可。所以这就要求工程师对产品的典型受力，有一个清晰的认识，同时需要去思考，如何将转谱过程进行简化。如果我们拿到一个产品直接每个点、每个通道逐个去转，不仅存在转错的风险，还会增加自己的工作量。而对于是否需要对所有路面都进行转谱工作的问题，也需要工程师进行提前识别，因为常规耐久试验所对应的每条不同的路面，针对的也是不同的产品，例如垂向主要针对弹簧、减振器、缓冲块和副车架等、侧向和纵向针对控制臂、转向节和副车架等、扭曲路针对稳定杆和扭力梁等等，对于一个特定零件，那些路面受力较小，产生的损伤是否可以忽略，也是需要进一步研究和探索的。

Q4：复杂零件（接附点多的零件）的台架 Block 如何去转？

A4：对于受力点较多的零件，建议做系统级台架试验，例如副车架、扭梁等产品，可以使用二分之一悬架做系统级试验，其优势在于，我们只需要对轮心载荷进行Block转化即可，而无需对零件的接附点进行逐个转化，可以极大降低我们进行Block转化的难度。

五、疲劳理论的复杂性与应用思考

疲劳是一门极为复杂的理论，虽然目前工业界有些认可且在用的理论及流程，但实际上，最新的疲劳理论及相关的理论研究，每天都在推陈出新；将疲劳理论应用于转谱过程的方法难度并不大，但是如何针对每个零件，来准确，高效的转出独属于自己的Block谱，也是每个试验工程师需要去研究和思考的问题。另外，转谱过程并非一成不变，在转谱过程中，也需要不断积累经验去优化自己的转谱过程，当一类零件转化次数多了以后，也可以总结出独属于自己的经验。