挡泥板支架疲劳试验方法探究

刘香爱，田朋涛，贺娜

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

关键字：挡泥板支架；疲劳理论；雨流计数法原理；单级加载谱试验；道路模拟试验

引言

汽车上大多数关键零部件的失效问题都是由振动疲劳引起的，伴随着汽车工业的快速发展，人们越来越重视结构设计中的疲劳寿命问题，疲劳耐久试验成为新开发的车型和关键零部件的主要考核项目之一。

针对整车搭载耐久试验成本高、周期不可控等因素，通过台架试验对零部件振动耐久性能进行验证成为主要试验手段。道路模拟试验方法和块谱加载试验方法是目前应用较为广泛的两种台架试验方法。道路模拟试验方法是将道路载荷谱再现于室内台架进行载荷加载试验。块谱加载试验方法是基于雨流统计和疲劳损伤累积理论，将实际道路载荷谱生成当量伪损伤等效的循环载荷，块谱加载试验分为单级谱加载试验和多级谱加载试验[1]。

1 疲劳理论

1.1 线性疲劳损伤准则[3-5]

线性疲劳累计损伤准则是指在循环载荷作用下，疲劳损伤是可以线性的累加的，各个应力之间相互独立和互不相关，当累加的损伤达到某一数值时，试件或构件就发生疲劳破坏。线性累计损伤理论中经典的是Palmgren-Miner理论，简称Miner理论。

用数学的方法表示，Miner理论可以表示如下：

式中，ni表示第i种幅值的载荷循环次数，Ni,f表示第i种幅值的载荷作用下，试件的疲劳寿命，Di表示第i种幅值的载荷对试件产生的损伤。

1.2 伪损伤

基于Palmgren-Miner理论、Wohler曲线和雨流循环计数的概念，输入载荷是一组雨流循环，最简单的Wohler曲线以Basquin方程形式给出：

其中幅值Si的循环损伤贡献是，由1.1中线性疲劳累计损伤准则，它对所有计数载荷的损伤求和：

我们希望伪损伤不依赖于材料模型，因此将伪损伤定义为：

则损伤与伪损伤的关系为：

式中α为比例常数，β为材料的损伤指数。

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1.3 雨流计数法原理

把应变-时间历程样本记录转过90°，时间坐标轴竖直向下，样本记录犹如一系列屋面，雨水顺着屋面往下流，故称为雨流法。雨流法有下列规则：

（1）雨流在试验记录的起点和依次在每一个峰值的内边开始，亦即从1，2，3…等尖点开始；

（2）雨流在流到峰值处（即屋檐）竖直下滴，一直流到对面有一个比开始时最大值（或最小值）更正的最大值（或更负的最小值）为止。

（3）当雨流遇到来自上面屋顶流下的雨时就停止流动；

（4）如果初始应变为拉应变，顺序的始点是拉应变最小值的点；

（5）每一雨流的水平长度是作为该应变幅值的半循环计数的。

图1 载荷-时间历程的雨流计数法原理

2 道路模拟试验[2]

挡泥板支架是汽车挡泥板总成中的结构件，是将挡泥板、挡泥帘及防飞溅等附件（以下简称挡泥板系统）与车架纵梁连接在一起的桥梁，挡泥板支架底座固定在车架纵梁上，挡泥板支架承载挡泥板系统的重量。在试验过程中，将挡泥板支架及挡泥板系统作为一个整体来进行验证。在某试验场进行道路载荷谱采集的过程中，将加速度传感器布置于挡泥板固定点车架位置、挡泥板支架端部，应变片布置于挡泥板支架热点位置。

图2 加速度信号

图3 应变信号

为保证道路模拟试验精度，道路模拟试验加速度传感器和应变片布置与试验场保持一致，根据试验需求搭建道路模拟试验台，对试验场采集的数据进行编辑和处理，加载到试验台上进行试验驱动迭代，获得满足要求的台架响应信号，提取各路段驱动信号，按照试验场重型车强化路可靠性试验各路况行驶顺序，组合相应的各路段台架驱动信号，生成室内台架试验程序，将其加载于道路模拟试验台上进行振动疲劳试验。根据设计规范确定挡泥板支架设计寿命目标里程，等效于试验台架为3.4×104km（试验时间约为357h）。3种型号挡泥板支架完成3.4×104km道路模拟试验，试验后样件均无失效故障。

3 单级加载谱试验

通过对挡泥板支架进行受力分析，可将其简化为一个简单的悬臂梁结构，将承载质量集中加载于挡泥板支架上。为了使该方法能适用于多种结构的挡泥板支架试验，现统计出挡泥板支架在恶劣的使用环境下如寒冷天气挂泥沙结冰的最大承载质量作为加载质量。

3.1 加载幅值的确定

对试验场采集到的挡泥板端部原始加速度信号数据进行预处理，去尖角、毛刺，滤波等。通过计算端部加速度功率谱密度（PSD）（如图4所示）可看出，能量主要集中在Z向，故本文主要考虑Z向载荷。对Z向载荷做雨流统计，选择合适的加速值计算块谱的加载幅值，F=ma=2.94kN。

图4 PSD谱线

3.2 加载循环次数的确定

采集道路模拟试验挡泥板支架热点位置应力，根据Palmgren-Miner线性理论疲劳理论计算挡泥板设计寿命里程的伪损失。利用工装夹具和液压作动器搭建单级谱加载试验台架，这里需要说明在工装设计时，应使挡泥板支架端部运动轨迹为弧形，采用销轴连接，释放Y向自由度，使缸体运动在加载中不受内力。根据经验设定加载频率为3Hz，在挡泥板支架热点位置布置（与道路模拟试验热点位置一致）应变片采集应力，如图6所示，根据Palmgren-Miner线性理论疲劳理论计算伪损失，最后根据损伤等效原理计算单级谱循环加载次数为11.4万次，取整为12万次（试验时间为11.1h）。

图5 雨流统计

图6 单级谱加载应力

将3.1和3.2计算得到的单级加载谱加载于液压试验台上进行加载试验，完成3种型号挡泥板支架试验，试验后均无失效故障，与道路模拟试验结果一致，说明该方法有效。

4 结语

本文首先通过对挡泥板支架载荷谱进行分析，结合支架实际的结构受力情况，通过雨流计数法原理确定单级谱加载幅值。然后根据Palmgren-Miner线性理论疲劳理论、挡泥板支架设计寿命目标里程计算载荷谱伪损伤，并通过损伤等效原理确定单级谱加载循环次数，最后进行单级加载谱试验并通过道路模拟试验验证其可靠性。从方法的可靠性来说，两种方法均可靠有效。从试验时间、试验成本、样件组织的难易程度等来讲，推荐使用单级谱加载试验方法。但单级加载谱因考虑有限，在后续的研究中还需进一步优化。