汽车排气系统在道路行驶过程中的疲劳寿命分析

郭学静

摘要： 本文研究了汽车排气系统在汽车道路行驶过程中的疲劳寿命情况。通过试验场或者用户使用条件下的RLDA数据采集，对得到的数据进行雨流计数疲劳寿命估算，得到载荷谱。然后进行构件的疲劳寿命试验，做出P-S-N曲线。应用 Miner理论，可得到构件的损伤度。从而可以分析排气系统不同部位在给定的路面激励下的损伤，评估排气系统的耐久风险。

关键词：疲劳寿命;RLDA;雨流计数;载荷谱;P-S-N曲线;Miner 理论

引言

近年来，人们在选择汽车驾驶时，除了舒适感和可操作性能，零部件的使用寿命及安全性越来越受到关注。以往对于汽车的降噪、尾气净化和压力损失等问题已受广泛的关注，但其结构强度和焊接疲劳耐久性却没有引起足够的重视，目前逐渐成为人们关注的重点。鉴于国内排气系统在这方面研究较少，与国外同期研究水平差距极大，所以，有必要加强该领域的研究，以尽快弥补我国在这方面的不足，所得到的研究成果将对该领域有一定程度的补充，可作为排气系统早期研发设计的重要参考。本文主要研究从测试到的疲劳载荷谱，确定材料疲劳损伤的程度，计算疲劳寿命。进行疲劳设计、安全评价等运用这种测试方法，可立即得到测试结果，这将减轻测试人员的劳动强度，缩短测试周期，降低测试费用，解决了复杂构件的试验问题，为汽车排气系统的安全性设计提供了依据。

1.RLDA数据采集

在零部件关键位置安装传感器，关键位置可以根据有限元分析结果选取。数据采集一般采用应变片，方法为半桥或全桥贴法，采样频率为2048Hz。测试的方法根据国家标准或者主机厂提供商的整车工装样车道路试验技术规范执行。车辆状态一般为空载，半载，满载，具体配重见标准规定。试验路面分为组合坏路和高速环路等。

2.构件的疲劳试验

构件的疲劳试验是分析构件承载能力的试验，目的是要得到构件的P-S-N疲劳寿命曲线。

试验载荷分为低载荷和高载荷，通常要各做5件。试验前首先要确定载荷的大小，载荷获得的基本原则一般为低载荷要求构件在50万次左右失效，高载荷在5万次左右失效。

3.Miner 理论

Miner将Palmgren提出的疲劳损伤与应力循环次数成线性比这一假设公式化， 建立了著名的Miner准则

其中， 每一级变幅循环应力为Si， i=1， 2，， n，ni 为Si 的循环次数，Nci 为与Si 相对应的疲劳寿命，即图1 P-S-N曲线中对应的循环次数。

基于Miner准则，可以将图5中应力Si对应的ni与图8种Si对应的Ni进行对比，求和即可得到损伤，

该部位的寿命为

一般认为寿命在100以上为低风险。

4.结论

汽车排气系统设计过程中，根据前期的CAE分析得到系统的高风险部位，进行实际的数据道路采集得到各个部位的载荷谱，通过构件的疲劳寿命试验得到构件P-S-N曲线，应用Miner准则计算各位置的损伤。可以大幅度降低整车试验时的失效概率，从而节省金钱和时间成本。本文介绍的试验方法已应用到众多汽车的排气系统开发，成为目前排气系统在道路耐久性开发的有效试验方法。

参考文献：

[1]徐灏.疲劳强度设计[M].北京： 机械工业出版社，1983.

[2]傅惠民.疲劳强度概率分布.北京航空学院研究生院，1986（9）

[3]董樂义，罗俊.雨流计数法及其在程序中的具体实现[J].西安空军工程大学工程学院： 计算机技术与应用，2004，24（3）：38-40.

[4]徐宜.基于雨流法的机械疲劳分析[J].北京：车辆与动力技术，2008，3：11-15

[5]A.Fatern，L. Yang. Cumulative fatigue damage and life prediction theories： a survey of the state of the art for homogeneousm aterials[J]. International journal of fatigue，1998，2009–34.

[6]倪侃，高镇同.疲劳可靠性二维概率Miner准则[J].固体力学学报，1996，17（4）：365-371.