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车辆耐久性工程的核心挑战及应对

2019-02-16 16:38:00·  来源：耐久论坛  作者：李旭东博士  
　
1耐久性与疲劳按照文献1，耐久性定义为：产品在规定的使用和维修条件下，其使用寿命的一种度量。套用这一定义，车辆耐久性指的是车辆在规定的使用和维修条件下，
1 耐久性与疲劳
 
按照文献1，耐久性定义为：产品在规定的使用和维修条件下，其使用寿命的一种度量。套用这一定义，车辆耐久性指的是车辆在规定的使用和维修条件下，其使用寿命的一种度量。而这其中，最重要的一种寿命，是疲劳寿命。
 
疲劳寿命通常分为裂纹起始阶段和裂纹扩展阶段，如图1所示。裂纹起始阶段包括一些微裂纹扩展，但是疲劳裂纹太小，无法看到（起码不容易看到）；裂纹扩展阶段，疲劳裂纹扩展直到完全断裂。两个阶段之间没有一个非常清晰和严格的裂纹尺寸来加以分割，如果采用某种无损检测技术可以比较高检出率的检测出某一裂纹，通常就将这一裂纹称为宏观可见裂纹，并将其作为划分裂纹初始阶段和裂纹扩展阶段的分界线，这里面显然带有一些人为因素。
   
图1 典型的（高周）疲劳断口2
裂纹扩展阶段，其行为用裂纹扩展速率模型和断裂力学来描述，但是对于没有采用损伤容限设计的结构（比如说车辆结构）来说，其一旦形成宏观可见裂纹，可供其扩展直至断裂的寿命已经寥寥无几。从另一方面说，裂纹起始阶段所对应的裂纹形成寿命，往往占到总寿命（从投入使用之初，到最后被干断的总时长）的90％以上，而用以评估和预测这一部分寿命的理论和方法，就是疲劳理论的核心任务。因此，在本论坛的后续所有文章之中，如果不加特殊说明，疲劳寿命仅仅单指材料或结构的裂纹形成寿命。
 
2 载荷对于疲劳寿命评估的极端重要性
 
对于几乎任何一个力学行为进行描述和评估，几乎都离不开几何、材料和载荷三要素。家里的桌子够不够结实呢？看看桌板够不够厚实，桌板越厚越结实，这是几何方面；看看桌子用什么材料制作的，用不锈钢或钛合金做的（如果有这种桌子的话）一定比用塑料、木头做的桌子来的结实，这是材料方面；桌子上放一个本子或笔，肯定没事，如果找几个胖子在上面蹦蹦跳跳，那不见得撑得住，这是载荷方面的影响。
疲劳作为力学的一个分支，其行为也受这三方面要素的制约，但是，如图2所示，可以看到，疲劳寿命评估结果对于载荷输入具有异乎寻常的敏感性。
图2 疲劳寿命评估结果对载荷波动的强烈敏感性2
 
在（高周）疲劳寿命评估时，需要经由材料或结构的SN曲线，由载荷预测寿命。图2中选择了一个非常用代表性的金属结构，代表其疲劳特性的SN曲线反斜率k值为5（常用取值范围为3~10）。我们可以看到，在这种情况下，如果载荷仅仅上升15％，疲劳寿命就会缩短一半；如果载荷仅仅降低13％，疲劳寿命就会上升为原来的两倍。
 
金属结构的（高周）疲劳寿命极其敏感的随作用在其上的载荷的变化而变化，载荷差之毫厘，（高周）疲劳寿命和损伤谬以千里。这一点，是每一个参与耐久性工程的工作者需要敏感和警觉的事情。
 
3 车辆耐久性工程中的突出矛盾和重大挑战
 
   现实中，当把一辆轿车或卡车交付给客户之后，车辆生产商几乎没有办法对于车辆的使用条件进行限定：客户开着车在什么样的路面上行驶，无法限定，尽管显而易见不同路面对于车辆的损耗是完全不同的；客户以一种什么样的驾驶习惯和风格去开车，无法限定，可以预知的是不同的驾驶习惯对于车辆的损伤也是有明显不同的；客户对于车辆装上怎样的负载，哪怕有法律法规的约束，现实生活中的负载变异性也是非常大的，对于商用车，各种脑洞大开的“开挂”和超载比比皆是。
图3 到达设计里程时车辆所承受载荷的巨大离散性2
 
我们在上一节谈到并意识到，车辆结构的（高周）疲劳寿命极其敏感的随作用在其上的载荷的变化而变化；而在现实生活中，由于车辆生产商对于客户使用车辆的条件几乎无法做任何有效的限定，因此，车辆在达到设计里程时所承受的载荷是非常离散的一个随机变量。因此，车辆耐久性工程中的一个突出矛盾、问题和挑战就凸显和暴露了出来，这就是：
 
车辆疲劳寿命评估对载荷的高度敏感性，与到达设计里程时车辆所承受载荷的高度离散性之间的矛盾！
 
4 统计学在应对车辆耐久性工程重大挑战中的重要作用
 
如何应对车辆耐久性工程中的这一突出矛盾与重大挑战？统计学的重要成果在其中将发挥极其重要及核心的作用。因此，尽管本论坛的主旨是探讨以车辆耐久性为代表的耐久性工程问题，可以想到后面必然会涉及到像疲劳理论、算法等方面的话题，但是，在开坛之初，我们从统计这样一个角度去切入，充分运用统计学的一些重要成果和理论，去科学、合理的衡量和描述车辆耐久性工程中载荷的变异性，这对于应对上面提到的车辆耐久性工程中的突出矛盾和挑战，是极其重要的。
 
英国伟大的统计学家，R. A. Fisher爵士在1922年发表过一篇著名的论文3，把数理统计学的任务概括为3条：
1）定模型，即确定样本分布；
2）估计，用样本估计模型中的未知参数；
3）抽样分布。
Fisher爵士高屋建瓴的提出的这三个任务，同样也是车辆耐久性工程中载荷数据统计处理所面临的三个问题和任务，因此接下来，论坛将相继刊载三篇文章，分别讨论这三个统计学的关键任务、相关重要成果和结论，和对于车辆耐久性工程载荷数据统计分析的应用。
 
参考文献
1. GJB451-90，可靠性维修术语.
2. 来源于西门子工业软件有限公司内部资料.
3.R.A. Fisher, On the mathematical foundations of theoretical statistics, 1922.
附录：R.A.Fisher（1890～1962），英国统计与遗传学家，现代统计科学的奠基人之一。
作者简介
李旭东，2003年毕业于大连理工大学机械工程学院，获工学学士学位；2008年毕业于北京大学力学系固体力学专业，获理学博士学位。2008年至2014年，就职于中国航空综合技术研究所，历任工程师、高级工程师；2015年至今，就职于西门子工业软件（北京）有限公司，任职耐久性应用工程师。长期专注于（金属）材料和结构耐久性和损伤容限分析方法研究。 
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