武 振，郭瑞玲，梁 東，耿 號(hào) Wu Zhen，Guo Ruiling，Liang Dong，Geng Hao

用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)在整車可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用

武 振，郭瑞玲，梁 東，耿 號(hào)
Wu Zhen，Guo Ruiling，Liang Dong，Geng Hao

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

通過論述用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)在整車可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用與發(fā)展，合理考慮用戶的使用情況，把整車試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)工況與用戶實(shí)際使用工況進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。主要從用戶關(guān)聯(lián)的技術(shù)原理、Miner線性疲勞損傷累積理論、雨流循環(huán)計(jì)數(shù)、Monte Carlo仿真、關(guān)聯(lián)模型建立等方面對(duì)用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)在車型開發(fā)階段的整車可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用和關(guān)鍵問題等方面進(jìn)行綜合論述。為汽車企業(yè)對(duì)于用戶實(shí)際使用情況下的車輛可靠性設(shè)計(jì)和行業(yè)內(nèi)整車可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系建立提供參考。

用戶關(guān)聯(lián)；疲勞損傷；雨流計(jì)數(shù)；Monte Carlo仿真

0 引 言

汽車產(chǎn)品在設(shè)計(jì)研發(fā)、試驗(yàn)驗(yàn)證階段，都應(yīng)該結(jié)合用戶的實(shí)際使用情況進(jìn)行考慮?？煽啃栽囼?yàn)是考核和驗(yàn)證汽車耐久性的重要手段，大多數(shù)偏向于強(qiáng)度試驗(yàn)而不是壽命試驗(yàn)，保證在最差的工況下車輛構(gòu)件不發(fā)生斷裂失效，且滿足一定的工程要求。這在很大程度上依賴于經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣，并沒有合理地考慮符合用戶使用的條件[1]1。這導(dǎo)致用戶在實(shí)際使用汽車產(chǎn)品時(shí)會(huì)暴露出很多試驗(yàn)中沒有發(fā)生的故障和缺陷，所以可靠性試驗(yàn)設(shè)計(jì)必須將用戶的使用條件考慮在內(nèi)，針對(duì)用戶的使用情況建立合理的試驗(yàn)場道路和試驗(yàn)室臺(tái)架試驗(yàn)方法。

通過研究用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)在整車試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)中應(yīng)用和未來發(fā)展，闡述用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)階段的重要作用和意義。

1 用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)原理

汽車行駛在不同特征道路上時(shí)不僅受到來自不平路面的載荷沖擊，同時(shí)受到路面的反作用力，故行駛過程中車輛承受著各種復(fù)雜的不同幅值的循環(huán)載荷；另外，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身也是振動(dòng)源，因此汽車行駛時(shí)處于一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)環(huán)境中。

根據(jù)金屬疲勞損傷原理，車輛產(chǎn)生的疲勞損傷主要來自路面的循環(huán)載荷。汽車各部件所承受的載荷基本與汽車的輸入載荷成比例，基于此，采用用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)將用戶使用道路的復(fù)雜載荷工況通過試驗(yàn)場不同道路之間的組合得以復(fù)現(xiàn)，達(dá)到加速試驗(yàn)的目的。用戶關(guān)聯(lián)手段不是為了求取車輛及部件的實(shí)際疲勞壽命，而是為了在試驗(yàn)場這樣易于控制的環(huán)境中，制定出符合用戶使用情況的可靠性試車規(guī)范，在短時(shí)間內(nèi)復(fù)現(xiàn)用戶的實(shí)際使用情況[1]3，主要包括以下4部分。

1.1 用戶調(diào)查

通過用途定位、市場定位、目標(biāo)客戶定位等方面，對(duì)車輛用戶使用的路面區(qū)域、路面類型、里程比例、使用習(xí)慣（車速、負(fù)載）、自然環(huán)境、社會(huì)環(huán)境等因素進(jìn)行全方位調(diào)查，構(gòu)建用戶實(shí)際使用的行駛環(huán)境和工況。

1.2 用戶載荷譜采集

根據(jù)用戶調(diào)查結(jié)果構(gòu)建的用戶使用環(huán)境及工況，開展車輛在用戶使用目標(biāo)壞境下的路面載荷采集，然后利用雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)各路面載荷循環(huán)幅值和范圍分布；其中，采集目標(biāo)用戶載荷時(shí)必須保證車輛的負(fù)荷、試驗(yàn)路段、駕駛習(xí)慣等具有用戶使用的典型性和代表性。

1.3 試驗(yàn)場載荷譜采集

采集車輛在試驗(yàn)場各種強(qiáng)化路面上的載荷數(shù)據(jù)，保證各種強(qiáng)化路面的載荷數(shù)據(jù)完整、準(zhǔn)確，然后通過雨流循環(huán)計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)場和強(qiáng)化路面的載荷循環(huán)幅值和范圍分布。

1.4 當(dāng)量關(guān)系匹配

通過車速、負(fù)載、路面比例等組合疊加試驗(yàn)場強(qiáng)化路面的載荷雨流循環(huán)矩陣，對(duì)比用戶路面總載荷的雨流范圍分布，計(jì)算兩者產(chǎn)生的名義損傷和比例關(guān)系；然后不斷優(yōu)化試驗(yàn)場組合路面的循環(huán)載荷分布，最終確定整車可靠性試驗(yàn)的當(dāng)量關(guān)系，使其符合用戶使用的用途目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)路線

2 疲勞損傷的理論與計(jì)算

汽車上各種金屬構(gòu)件由于疲勞導(dǎo)致的失效其實(shí)是一個(gè)損傷累積的過程。疲勞損傷累積理論是指金屬部件經(jīng)過疲勞壽命試驗(yàn)，對(duì)構(gòu)件疲勞失效過程的機(jī)理進(jìn)行分析，揭示每一次外部載荷循環(huán)對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生的疲勞損傷之間的相互關(guān)系和分布規(guī)律；因此，車輛構(gòu)件的疲勞損傷主要由各種使用道路產(chǎn)生的循環(huán)載荷所引起。

2.1 Miner線性疲勞損傷累積理論

Miner線性疲勞損傷累積理論是在對(duì)金屬構(gòu)件疲勞損傷累積問題進(jìn)行大量試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上將線性損傷累積理論公式化后形成，如式（1）所示，大量試驗(yàn)結(jié)果表明臨界疲勞損傷的均值接近1，且多數(shù)情況下其壽命估算與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，其目前應(yīng)用最為普遍。

式中：為疲勞累積損傷；為載荷等級(jí)；n為第級(jí)載荷下實(shí)際載荷循環(huán)次數(shù)；(f)為第級(jí)載荷下的疲勞壽命[2]2。

Miner理論的假設(shè)前提為：（1）不論構(gòu)件材料損傷處于何種狀態(tài)，相同載荷產(chǎn)生相同的損傷；（2）損傷與載荷的作用次序無關(guān)；（3）當(dāng)=1時(shí)，即各載荷循環(huán)應(yīng)力產(chǎn)生的所有損傷值累積相加為1時(shí)，構(gòu)件將會(huì)產(chǎn)生工程裂紋，最終導(dǎo)致構(gòu)件發(fā)生疲勞失效。

2.2 疲勞損傷值的計(jì)算

金屬構(gòu)件材料在發(fā)生疲勞失效前所經(jīng)歷的應(yīng)力或應(yīng)變循環(huán)數(shù)稱為疲勞壽命，用材料曲線表示應(yīng)力或應(yīng)變水平與使用標(biāo)準(zhǔn)樣件得到的疲勞試驗(yàn)壽命之間的關(guān)系[3]37。循環(huán)載荷數(shù)據(jù)經(jīng)過雨流計(jì)數(shù)法統(tǒng)計(jì)處理后，結(jié)合-曲線，計(jì)算出構(gòu)件的疲勞損傷值，進(jìn)而計(jì)算出基準(zhǔn)路面與試驗(yàn)場路面之間的疲勞損傷對(duì)比值m。

需要指出的是，車輛各構(gòu)件應(yīng)力循環(huán)計(jì)算出的m值為相對(duì)值，因?yàn)檐嚿砗偷妆P都是由多種材料組成，每一種材料都有對(duì)應(yīng)的曲線，所以不能簡單代入計(jì)算出絕對(duì)損傷值。用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用主要是通過構(gòu)建理想的曲線，將基準(zhǔn)路面載荷循環(huán)和試驗(yàn)場路面載荷循環(huán)的輸入值代入-曲線，將m值調(diào)整到1，計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 疲勞損傷值計(jì)算流程

3 用戶關(guān)聯(lián)模型的建立

汽車生產(chǎn)企業(yè)在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)時(shí)，一般對(duì)車輛目標(biāo)行駛里程與用戶使用群體的某個(gè)百分位點(diǎn)相匹配。如果100%覆蓋用戶群體，那么必須保證最惡劣的用戶使用工況下能夠正常使用，將會(huì)導(dǎo)致汽車設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)成本無限增加。通常汽車生產(chǎn)企業(yè)會(huì)選擇B10壽命設(shè)計(jì)法，即按照滿足90%用戶的使用目標(biāo)進(jìn)行車輛行駛里程的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[3]14。

因此，在整車開發(fā)階段的可靠性試驗(yàn)中，應(yīng)用用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)涵蓋的90%目標(biāo)用戶實(shí)際使用工況，獲取相應(yīng)的整車載荷譜。

3.1 用戶使用目標(biāo)建立

廣泛調(diào)查用戶的使用情況是建立合理的用戶使用目標(biāo)的有效途徑，可通過主觀問卷調(diào)查和客觀數(shù)據(jù)采集等途徑得到。對(duì)汽車用戶和潛在用戶進(jìn)行調(diào)查、統(tǒng)計(jì)和分析，主要內(nèi)容包括用戶使用車型、路面狀況、里程比例、車速、負(fù)載、交通環(huán)境、自然壞境（地理環(huán)境、氣候壞境）以及駕駛員的駕駛習(xí)慣等[4]23，見表1，用戶其他的使用習(xí)慣或客觀數(shù)據(jù)采集以相同的方法進(jìn)行。

表1 用戶使用情況調(diào)查表（樣例）

3.2 Monte Carlo仿真

通過用戶調(diào)查和采集得到的樣本量有限，結(jié)果無法無限接近用戶的真實(shí)使用情況，一般采用Monte Carlo（蒙特卡洛）方法擬合用戶使用數(shù)據(jù)的真實(shí)分布[5]。Monte Carlo方法是一種隨機(jī)模擬的方法，以概率和統(tǒng)計(jì)理論方法為基礎(chǔ)，使用隨機(jī)數(shù)（或更常見的偽隨機(jī)數(shù)）模擬隨機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行分析、預(yù)測。

使用Monte Carlo方法擬合汽車目標(biāo)用戶真實(shí)的道路里程分配情況的步驟[2]3如下。

（1）在研究汽車的可靠性工程中，工程材料的疲勞強(qiáng)度、疲勞壽命、磨損壽命、腐蝕壽命以及許多單元組成的汽車總成，一般都服從威布爾分布。對(duì)于用戶使用的典型路面，各部件的疲勞壽命里程服從三參數(shù)威布爾分布，其函數(shù)分布為

概率密度函數(shù)為

式中：為疲勞壽命里程，為威布爾分布中位置參數(shù)，為威布爾分布中形狀參數(shù)，為威布爾分布中尺度參數(shù)[3]15。

因此，首先計(jì)算出各種特征道路下對(duì)應(yīng)的B10失效里程，然后根據(jù)Miner疲勞損傷累積理論計(jì)算出所有類型路面下的總疲勞失效里程。設(shè)A為用戶使用的平均目標(biāo)里程，()為目標(biāo)里程的概率密度分布函數(shù)，則滿足關(guān)系

（2）統(tǒng)計(jì)所用通過用戶調(diào)查得到的有效樣本數(shù)，根據(jù)式（4）計(jì)算得出所有用戶樣本的實(shí)際目標(biāo)里程，得到每一個(gè)調(diào)查用戶樣本的實(shí)際目標(biāo)里程分別為C1，C2，C3，…，CN，則目標(biāo)用戶使用的真實(shí)平均目標(biāo)里程結(jié)果為

式中：Ci為用戶總疲勞失效里程，計(jì)算方法為

式中：1，2，…，L為用戶在對(duì)應(yīng)的不同路面下的疲勞失效里程；1，2，…，f為用戶使用的不同路面占總里程的百分比。a為質(zhì)量調(diào)整因數(shù)，計(jì)算式為

式中：PL為空載失效里程；PH為滿載失效里程；R為用戶調(diào)查的車輛總質(zhì)量；L為空車總質(zhì)量；H為滿載總質(zhì)量；ACQ為典型路面試驗(yàn)的車輛總質(zhì)量。

（3）使用式（5）中的用戶真實(shí)平均目標(biāo)里程AN對(duì)式（4）中的計(jì)算積分A的數(shù)值通過Monte Carlo仿真方法進(jìn)行隨機(jī)模擬估計(jì)，從而獲得涵蓋90%用戶使用情況的目標(biāo)里程，進(jìn)而可確定90%用戶使用時(shí)的整車疲勞損傷載荷譜，即分級(jí)雨流循環(huán)矩陣。

3.3 雨流循環(huán)外推

采集目標(biāo)用戶使用車輛在全生命周期里程的載荷譜數(shù)據(jù)會(huì)受到時(shí)間、設(shè)備、人員、成本等因素的限制，無法對(duì)用戶使用壽命的全部載荷歷程進(jìn)行測量；故只能實(shí)現(xiàn)短時(shí)間、短里程的代表性測量，然后通過雨流循環(huán)外推的方法獲取用戶目標(biāo)的全生命周期使用載荷譜。

雨流循環(huán)外推法根據(jù)一個(gè)短期的載荷測量預(yù)測更長時(shí)間周期內(nèi)載荷的雨流分布，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)將已經(jīng)測試到的載荷進(jìn)行外推，而且能夠有效地預(yù)測到?jīng)]有采集到的對(duì)車輛疲勞影響很大的載荷數(shù)據(jù)，可以較為客觀地反映用戶使用目標(biāo)里程的車輛全生命周期的載荷分布情況。雨流循環(huán)外推法比較傳統(tǒng)的方式是根據(jù)短時(shí)間的載荷測量結(jié)果，利用循環(huán)雨流計(jì)算矩陣建立累計(jì)頻率分布（累計(jì)超過數(shù)分布圖），然后將循環(huán)數(shù)和載荷譜外推到用戶使用目標(biāo)里程的全生命周期[4]20。以某用戶道路左前輪為例，其目標(biāo)載荷譜雨流外推過程如圖3所示。

3.4 關(guān)聯(lián)模型的計(jì)算

首先通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算得到90%用戶實(shí)際使用目標(biāo)里程下的分級(jí)雨流循環(huán)矩陣；其次利用式（1）計(jì)算出90%用戶使用目標(biāo)里程的疲勞損傷值；再次通過選擇和疊加試驗(yàn)場強(qiáng)化路的路面類型、行駛車速、行駛里程以及裝載情況等，計(jì)算組合路面下載荷輸入對(duì)車輛產(chǎn)生的總疲勞損傷值如式（8）；最后調(diào)整、優(yōu)化試驗(yàn)場組合道路和其他行駛條件，使得在試驗(yàn)場組合道路下車輛產(chǎn)生的疲勞損傷值與用戶目標(biāo)里程下車輛產(chǎn)生的疲勞損傷值相等，即m值為1或接近1。這樣使車輛在試驗(yàn)場可以進(jìn)行基于用戶使用情況的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)。

綜合上述分析，建立的用戶關(guān)聯(lián)等損傷計(jì)算模型為

式中：X為試驗(yàn)場第種路面試驗(yàn)對(duì)車輛部件的損傷；A為試驗(yàn)場第種路面的循環(huán)次數(shù)；Y為車輛部件滿足90%用戶使用目標(biāo)里程的疲勞損傷；為載荷幅值總區(qū)間數(shù)；為試驗(yàn)場路面總數(shù)[2]3。

基于以上用戶關(guān)聯(lián)模型建立的理論方法，以某一款中大型SUV耐久項(xiàng)目為例，首先在通用的試驗(yàn)場可靠性規(guī)范下完成試驗(yàn)后，并沒有暴露出由市場反饋回來的部分變速器懸置支架出現(xiàn)裂紋的問題。然后經(jīng)由以上用戶關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行重新制定試驗(yàn)場耐久規(guī)范后，試驗(yàn)車輛變速器懸置支架在試驗(yàn)進(jìn)行至6 500 km時(shí)出現(xiàn)輕微裂紋。因此，使用用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)在試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)中能夠快速暴露出車輛的故障缺陷，縮短試驗(yàn)周期，降低試驗(yàn)成本及開發(fā)費(fèi)用。

4 總 結(jié)

基于Miner線性疲勞損傷累積理論、雨流循環(huán)計(jì)數(shù)及雨流外推法、Monte Carlo仿真等方法，論述了用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)在整車可靠性試驗(yàn)中的應(yīng)用背景及技術(shù)方案。通過等效損傷原則，建立用戶與試驗(yàn)場的關(guān)聯(lián)計(jì)算模型，確定符合90%用戶使用目標(biāo)里程的整車試驗(yàn)場可靠性試驗(yàn)方法[4]。應(yīng)用用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)可以合理地反映出用戶使用車輛全生命周期中可能出現(xiàn)的故障，及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，從而高效準(zhǔn)確地予以解決。

目前滿足不同車型、不同道路條件的整車可靠性試驗(yàn)的強(qiáng)化系數(shù)差別很大，每一次強(qiáng)化試驗(yàn)的結(jié)果都需要采集大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證[6]。用戶關(guān)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用和推廣是未來整車可靠性試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析，針對(duì)不同區(qū)域、不同車型、不同工況的用戶群體，采集建立典型的道路載荷數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而制定滿足不同車型的用戶關(guān)聯(lián)模型計(jì)算方法。

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2020-07-08

U467.1

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2020.05.004

1002-4581（2020）05-0016-05