一、寫在文前

       底盤件臺架疲勞試驗是底盤零件開發過程中，一個極為重要的環節。一個高可靠度的臺架耐久試驗，可以盡早暴露產品的前期設計缺陷和評估產品的設計冗余度，前者可以幫助設計工程師對產品進行針對性的設計優化，避免零件在路試過程中出現開裂等疲勞問題，而后者則可以幫助工程師來評估產品是否能夠進行降本減重，所以，如何制定高可靠度的疲勞耐久實驗方法，是大多數產品工程師和試驗工程師，所共同面臨的問題。而在通常情況下，零部件臺架耐久試驗方法來自于試驗場的常規耐久試驗，而試驗場的常規耐久試驗方法來自于用戶路面，其相互之間遵循損傷等效原則。

                                             用戶路面、試驗場路面和臺架試驗的等效關系圖

所以對任一個底盤零件臺架疲勞耐久試驗，只需要基于試驗場載荷，來制定具體的試驗方法即可，本篇文章的目的在于研討該過程。

二、臺架疲勞耐久試驗方法

       零部件耐久試驗方法主要由載荷（行程）大小和循環次數兩部分組成，如下表1是某車型底盤橫向穩定桿（圖1）的疲勞耐久試驗要求：

   

               表1 某車型橫向穩定桿疲勞耐久試驗要求

圖1 某車型橫向穩定桿示意圖

      表1中的臺架試驗為級數為3的臺架試驗，其背后所對應的，就是圖1穩定桿所經歷的常規耐久試驗所能產生的損傷，而常規耐久試驗則對應用戶10年16萬公里不損壞的行駛需求，換句話說，如果穩定桿能滿足上述三級Block 臺架試驗要求，則到了用戶手里，就能保證10年16萬公里的行駛需求而不斷裂，這就是一個零件高可靠性的路譜轉臺架的意義所在。

三、試驗場載荷轉臺架Block的核心準則

      用戶路面轉試驗場路面暫且略過不提，我們重點討論試驗場載荷轉臺架 Block。下表2為某車型橫向穩定桿在一些典型試驗場路面下的載荷。

表2 某車型橫向穩定桿在部分典型路面上的隨機載荷譜（實際上這里放的是微應變譜）

      我們對動態載荷進行觀察，就會發現大多數動態載荷存在隨機性，即無明顯的規律可以尋找。針對這種無明顯規律的隨機動態載荷譜轉臺架疲勞耐久載荷，通常有三個核心準則：

準則1——雨流計數法：雨流計數法大約在上個世紀 50 年代就被發明出來，其發明的目的就是為了應對隨機動態載荷轉變為規則Block。雖然很多資料將雨流計數法進行了長篇大論，但從本質上來說，雨流計數法就是將一組隨機數據的均值和峰值進行篩選統計的一種方法。而就基于目前工業界認可的理論，除SN 曲線外，載荷的均值和峰值，就是決定產品疲勞壽命的關鍵影響因素。

準則 2——Miner法則，也叫線性損傷累計疊加法則。在轉譜過程中，其主要解決的問題是，同一輛車以相同的車速在同一路面行駛不同的圈數，那么每圈所產生的損傷，基于Miner法則，則可認為是一樣的，而且還可以線性疊加，例如跑比利時路一圈，某零件產生的損傷是0.1，那么跑10圈，就可以認為產生的損傷為1。

準則 3——（偽）損傷等效原則：損傷等效原則用在什么地方呢？一個是當我們用雨流計數法手動統計出時域隨機載荷的均值、峰值和循環次數之后，還需要進一步去計算確認，轉完的Block和隨機時域載荷是否等效，這個時候就需要使用損傷等效原則了。

其使用的方法是：分別計算Block的損傷和隨機時域載荷所對應的損傷，如果計算結果相等，則我們認為損傷等效，該Block等同于隨機時域載荷，當然如果兩者計算損傷有差異，則可以對 Block 的次數作適當修正，來滿足等效損傷。另一個是當試驗場路面中，隨機路面過多時，我們最后用雨流計數法統計出來的均值和幅值的級別會比較多，以底盤件為例，當我們轉化出來的block 級數超過9的時候，就需要對其進行縮減了，一個9級以上的Block，會對臺架的效率造成極大的降低。在這種情況下，我們需要基于損傷等效原則對峰值進行修訂，此時可以對峰值進行簡單修訂，但禁止對均值進行修訂。鑒于真實SN曲線的非線性，偽損傷等效修訂只能認為近似等效，而不能認為是絕對等效，這也是偽損傷轉 Block 的一個問題點。

通常情況下，基于上述三個核心準則，結合ncode軟件的glyphworks模塊，就可以實現各個路面的轉譜過程。上表2所展示的穩定桿的隨機載荷譜，用ncode轉化后的結果如下表3：

表3 某車型橫向穩定桿在部分典型路面上的臺架Block

      通常情況下，一個完整的常規耐久路試試驗，一般包含十幾個以上的路面，將穩定桿在所有耐久路面上的動載載荷都進行轉譜處理，結合整車在每條路面的路試循環次數，最終得到如下圖2的的臺架Block。

圖2 某車型常規耐久路試對應的臺架Block

四、轉譜過程中的常見問題及解決方法

在轉譜過程中，經常會遇到如下幾個問題：

Q1：上述轉譜過程中，用的是偽損傷，計算損傷使用的SN曲線不是真實材料的SN曲線， 那能否在轉譜過程中，使用真實的SN曲線，利用真損傷來進行計算？

A1：首先肯定的說，這個思路理論上可以，而且如果操作得當，實際上轉譜精度比偽損傷要高，但是實際過程中并不推薦。原因如下：

1、SN 曲線的問題：真實SN曲線測試成本較高，難度較大，通常為了保證SN曲線的可靠度，通常需要同一個應力下，需要做多組試驗，然后基于威布爾分布來進行可靠度計算，同時，為了測試整條SN，還需要做不同應力下的材料壽命測試，所以實際過程中，我們去用試件去測試SN曲線，在保證高可靠度的前提下，得到準確的SN曲線，其難度是很高的。另外，真實的SN曲線除了跟材料本身有關，還跟熱處理類型（相同的材料，不同金相組織，SN曲線修正系數不一樣）、載荷類型（拉壓、扭轉和彎曲對材料SN的修正系數不一樣）、表面粗糙度以及零件截面形狀等多種因素相關，得到產品準確的SN曲線，難度極高，這也是FEA疲勞仿真分析難以保證高精度的核心因素之一。所以用偽SN曲線來進行相對計算，可以提升轉譜效率，降低轉譜難度。

2、名義應力修正問題：在疲勞預測領域，名義修正被發明出來的初衷，主要是為了降低SN曲線的測試難度以及真實壽命的預測難度，某種程度上可理解為是對整個真實壽命計算的一種簡化，我們可以想象一下，如果沒有名義應力修正的概念，最有可能的平替方法會不會是查表？！因為存在名義應力修正，那我們在測試SN曲線的時候，通常只需要測試應力比為-1 的SN曲線，如果沒有名義修正的概念，那么SN曲線的測試難度，就會呈指數級增長（需要測試更多不同應力比下的SN）。

其次，名義應力修正法的選擇選擇問題，已知的名義應力修正的方法比較多，主流的就有Gerber、Gerber2、Goodman 等，此外還有很多“非主流”的修正方法，那么具體選哪種，哪種精度更高，也是對工程師的一種考驗。再次，就是名義應力修正方法論本身精度存疑，對于名義應力修正方法，雖然是工業界認可且常用的方法，但是對于實際的精度，我認為還是要存疑的，所以，實際上當名義應力修正不是必須的時候，我們跳過該過程，在某種程度上，也算是一條捷徑了。當然，相對應的，不考慮名義應力修正的時候，Block 的中值只能來自于雨流計數法的統計值，即禁止隨意更改。

Q2：Block 級別為什么要轉多級，只轉一級是否可行？

A1：不可行。原因在于：

1、中值問題，我們知道，均值只能來自雨流計數法，而不能進行更改，而不同路面的載荷，其中值無法保證完全一樣，而中值又是影響零件真實壽命的決定因素，不可隨意更改，這就導致我們無法轉一級譜。順帶一提，中值不同，是很多零件會轉出多級譜的一個核心因素。

2、應力的非線性問題，實際的SN曲線并非純線性，很多時候實際上是雙線性或非線性， 所以只用一級譜去等效損傷，屬于人為降精度，準確的做法就是使用雨流計數法統計出來的峰值及均值。

Q3：某些零件接附點比較多，一個點存在6個方向，外加不同的路面，轉化工作量非常大，這種是否有必要對所有的路面和通道都進行Block轉化？   

A3：非必要，在拿到隨機載荷譜并開始轉譜工作前，需要對產品的主受力方向進行識別，如螺旋彈簧，其主受力為軸向拉壓，則只需要去轉軸向拉壓方向的譜即可；橫向穩定桿，主受扭轉載荷，那么就只需要轉扭轉方向的譜即可；二力桿臂類零件，如轉向拉桿，穩定桿連接桿，拉桿類控制臂等，主要沿桿件本體方向受力，則只需要轉桿件本體方向的力即可。所以這就要求工程師對產品的典型受力，有一個清晰的認識，同時需要去思考，如何將轉譜過程進行簡化。如果我們拿到一個產品直接每個點、每個通道逐個去轉，不僅存在轉錯的風險，還會增加自己的工作量。而對于是否需要對所有路面都進行轉譜工作的問題，也需要工程師進行提前識別，因為常規耐久試驗所對應的每條不同的路面，針對的也是不同的產品，例如垂向主要針對彈簧、減振器、緩沖塊和副車架等、側向和縱向針對控制臂、轉向節和副車架等、扭曲路針對穩定桿和扭力梁等等，對于一個特定零件，那些路面受力較小，產生的損傷是否可以忽略，也是需要進一步研究和探索的。

Q4：復雜零件（接附點多的零件）的臺架 Block 如何去轉？

A4：對于受力點較多的零件，建議做系統級臺架試驗，例如副車架、扭梁等產品，可以使用二分之一懸架做系統級試驗，其優勢在于，我們只需要對輪心載荷進行Block轉化即可，而無需對零件的接附點進行逐個轉化，可以極大降低我們進行Block轉化的難度。

五、疲勞理論的復雜性與應用思考

      疲勞是一門極為復雜的理論，雖然目前工業界有些認可且在用的理論及流程，但實際上，最新的疲勞理論及相關的理論研究，每天都在推陳出新；將疲勞理論應用于轉譜過程的方法難度并不大，但是如何針對每個零件，來準確，高效的轉出獨屬于自己的Block譜，也是每個試驗工程師需要去研究和思考的問題。另外，轉譜過程并非一成不變，在轉譜過程中，也需要不斷積累經驗去優化自己的轉譜過程，當一類零件轉化次數多了以后，也可以總結出獨屬于自己的經驗。