俗话说的好:“是驴子是马,拉出来溜溜!”。 汽车行业也不能免俗,大凡任何一个新产品完成设计,通常意味着所有的计算都完成了:经典计算、有限元分析FEA等等。总之,设计工程师信心满满的拍着鼓鼓的胸脯说:“我的设计没问题!我有信心!”等等,这是不是真的呢?有办法----那就是做试验啊! 让我们把产品拉出来溜溜吧。但是怎么做呢?
想做试验?但是怎么确定试验条件呢?以汽车传动系统为例,汽车在行驶过程中,油门开度有大有小,挡位有高有低,整车负载有轻有重,车速有快有慢,这些林林总总的变量有无数种排列组合;那就意味着针对同一个部件,在不同的时刻,它承受的力或者扭矩是忽大忽小的,并不是恒定不变的。这就给试验工程师带来很大的难题: 变化的载荷意味着交变应力,交变应力又意味着材料疲劳,疲劳就会带来早期失效风险----变化的载荷是的。另外,从变化的载荷选择试验载荷也十分困难,选大载荷通常意味着很短的试验循环次数之后,零件就完蛋了;选过小的载荷可能又永远不失效—零件有无穷寿命。 宝宝心里苦啊。但是,万能的汽车行业试验工程师有办法!
首先,试验工程师会采集实车的实际载荷,怎么采集取决于采集目的,复杂的情况下,我们甚至会使用六分力传感器等手段;简单的时候,一个线性加速度传感器可能就够了。通常我们管采集的变化载荷叫着载荷谱(load spectrum)。掌握载荷谱的变化规律是进行疲劳试验、疲劳寿命估计和疲劳设计的先决条件。下图就是一段简单的载荷谱片段。
在汽车行驶过程中,零部件的工作载荷是随机的。随机载荷是一种不规则的、不能重复的、随时间变化的载荷。为了方便计算和试验,我们会使用数学统计方法对随机载荷进行分析与描述。常用的统计分析方法主要有计数法和功率谱法。由于使汽车零部件产生疲劳损伤的主要原因是载荷幅值和载荷循环次数,因而常用计数法进行分析。而雨流分析法就是其中最常用的计数法。
说到雨流分析法,还得从佛塔说起。话说,该分析法是两位日本工程师Tatsuo Endo 和 M. Matsuishi大概在1968年提出的,据说,他们是根据雨水滴到层层叠叠的佛塔顶部淌下的过程获得灵感的。从而,提出雨流分析法来统计载荷谱。
其基本原理是把应变-时间历程数据记录顺时针转过90°,时间坐标轴竖直向下, 载荷数据记录犹如一系列佛塔塔顶, 雨水顺着塔顶往, 故称为雨流计数法。详见下图。左图是采集的随机载荷谱,即载荷随着时间变化,根据右图,你可以想象载荷像雨水一样在流淌。由于雨流法在计数原理上与实际工作载荷对金属零件的循环应力一应变较相似,有着的力学基础,具有较高的正确性,而且该计数方法易于计算机编程完成。随着近年来计算机的普及,已经被认为是汽车行业最有效的计数方法。
下面,我们就一个具体例子来简单了解如何运用雨流分析法来统计载荷谱,以及结果如何和应力-应变图对应的。下图是一个已经旋转之后的载荷谱。
1.当雨滴从A点出发,流经B点之后,会直接从塔顶直接落向B’点。我们就可以认为这个循环就构成载荷loop 2 。顺便说一句,B落向B’的过程非常形象的反映了雨滴的过程。
同时,雨流分析法形成的载荷循环可以形成下图下方的应力-应变图循环进行力学解释。这样,一个任意的随机载荷谱都可以解构成若干个应力-应变循环,而不会漏掉某个峰谷值。
1)起始于波谷的雨流,遇到比它更低的谷值便停止;起始于波峰的雨流,遇到比它更高的峰值便停止;
2)当雨流遇到来自屋顶流下的雨时就停止流动,并构成了一个循环loop。当然,其还有更复杂的原则以及变种方法。
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