汽车结构件疲劳耐久分析（一）：可靠性理论

汽车在行驶时不断受到由于路面不平而引起的路面冲击载荷，同时还受到转向侧向力、驱动力和制动力等的作用。这些力一般都随着时间发生变化。另外，汽车发动机本身也是一个振动源。因此汽车在行驶中处于一个相当复杂的振动环境中，其各个零部件都会受到随着时间发生变化的应力、应变的作用。经过一定的工作时间，一些零部件便会发生疲劳损坏，出现裂纹或断裂。

据统计，汽车90%以上的零部件损坏都属于疲劳损坏。从汽车诞生的那一天起，疲劳耐久就是整车的重要性能。早期的汽车厂家甚至经常采用长距离耐力赛的形式来宣传自己的产品具有高度的可靠性和耐久性。比如凯迪拉克就曾通过在英国参加爬山赛事和1000英里耐力赛来打响自己的名声。

本主题系列文将简单介绍一下汽车行业中常用的结构件疲劳耐久仿真方法和一些相关的理论。主要内容包括：1，可靠性基础理论；2，金属疲劳理论；3，常见子系统和零件的结构疲劳耐久分析方法。

可靠性理论
在谈疲劳耐久的时候，往往会把可靠性、耐久性、疲劳、寿命这些名词混为一谈。这些概念相互联系又有区别。

简单来说，耐久性可以定义为“持久的能力”，或者是产品保持其购买时状态的时间；汽车耐久性定义为“汽车保持其质量和功能的使用时间”。在规定使用条件下和规定时间周期内，用户不必对耐久性产品进行修理或者更换。在汽车产品设计开发阶段，结构耐久性不仅是设计所关心的，同时也是用户希望得到评估的内容。一般来说，产品投放到市场之前，其产品均要求满足相应的耐久性指标。

对汽车企业来说，整车需要满足的耐久性最低标准通常可以定义为XX年的功能寿命和XX万Km。为了达到整车的耐久性指标，就需要整车、系统、子系统和零件满足各自的要求；将汽车耐久性指标从上至下一直到分解到子系统/零件级；对于车身和底盘，一般要求“在整车耐久性试验完成前，不应出现失效”。

而疲劳是指试件或构件材料在交变应力与交变应变的作用下，裂纹萌生、扩展，直到小片脱落或断裂的过程称为疲劳。构件因发生疲劳破损而丧失正常工作性能的现象称为疲劳失效。通常，与疲劳相比，汽车耐久性的含义更为广泛，有时两者在概念上又不加以严格区别。下图就是半轴和离合器发生疲劳失效的图片。



而可靠性的定义是在规定条件和规定时间内产品可能完成规定功能（可靠的/存活），可能完不成规定功能（不可靠的/失效），因此：可靠度是产品在规定条件，规定时间内，完成规定功能的概率。定义产品可靠性主要有下面三个因素：

• 规定条件，比如载荷、温度、压力、振动/冲击等
• 规定时间，比如时间、里程、循环次数等寿命描述
• 规定功能，比如裂纹产生、裂纹扩展长度、功能衰退/丧失等

根据系统可靠性理论，对于整车来说，对整车、系统、子系统和部件的可靠性要求是从低到高逐级提升的。

对于整车，寿命的定义一般是指B10寿命。因为汽车和零部件的失效寿命是个随机变量，具有统计 性质，一般而言，符合2参数Weibel分布或者高斯分布。



零件的材料、加工工艺，整车的装配过程，车辆的使用过程、行驶状况等随机因素都与疲劳寿命相关。而B10寿命指的是汽车零部件达到这个寿命时发生失效的概率是10%，或者说可靠度是90%。比如某辆车的设计寿命是16万公里，有一万台转向机投入使用，在达到16万公里的行驶寿命时，共有1000台转向机发生失效，而9000台还可以正常使用，那么这个转向机的B10寿命就是16万公里。

定义好了这样一个目标，就可以在设计零件时根据基于可靠性的应力-强度干涉理论来估计产品的可靠性。既避免欠缺设计，又避免过设计。



下图就是典型的制定零件设计目标的过程。通过概率计算，将零件设计目标制定为25万英里时可以满足10万英里的寿命目标。