汽车结构强度与试验

上海理工大学

0 0 引言引言

汽车经过汽车经过 33 个世纪的发展，技术上取得了个世纪的发展，技术上取得了根本性进步。而每一个技术进步都离不开试验。根本性进步。而每一个技术进步都离不开试验。可以说，汽车的成长过程是试验的过程，汽车可以说，汽车的成长过程是试验的过程，汽车是试验出来的，不是工程师画出来的。国外公是试验出来的，不是工程师画出来的。国外公司，试验工程师的薪水不比设计工程师的低，司，试验工程师的薪水不比设计工程师的低，常常高于设计工程师。常常高于设计工程师。

我国，由于体制上的根本原因，只重视设计，我国，由于体制上的根本原因，只重视设计，不重视试验。因此，试验师常被动的进行一些验证不重视试验。因此，试验师常被动的进行一些验证性的实验，不注意从试验中发掘对设计具有指导性性的实验，不注意从试验中发掘对设计具有指导性作用的技术线索。所以，我们的试验工程师必须通作用的技术线索。所以，我们的试验工程师必须通过自己的技术性劳动，证明自己对于产品研发的根过自己的技术性劳动，证明自己对于产品研发的根本性贡献。好的设计工程师知道如何设计结构形状，本性贡献。好的设计工程师知道如何设计结构形状，如何选择材料，如何确定制造工艺。好的试验工程如何选择材料，如何确定制造工艺。好的试验工程师知道如何评价结构设计的合理性，如何改进结构师知道如何评价结构设计的合理性，如何改进结构设计，如何确定结构的强度潜力。设计，如何确定结构的强度潜力。

1 1 强度试验的基础—载荷谱强度试验的基础—载荷谱11．． 1 1 载荷谱的定义载荷谱的定义

由于汽车是处于多种使用状态，各个零件（电器由于汽车是处于多种使用状态，各个零件（电器元件和机械零件）都受到不同形式的载荷作用。广义元件和机械零件）都受到不同形式的载荷作用。广义地讲，载荷包含力、力矩、应力、应变、加速度、温地讲，载荷包含力、力矩、应力、应变、加速度、温度、电流、磁力等各种物理参量。由于路面的不均匀度、电流、磁力等各种物理参量。由于路面的不均匀导致这些参量在汽车行驶过程中是随机变化的。但是导致这些参量在汽车行驶过程中是随机变化的。但是它们具有统计特性。描述这种特性的图形、曲线、表它们具有统计特性。描述这种特性的图形、曲线、表格、数字、矩阵等统称载荷谱。格、数字、矩阵等统称载荷谱。

常见的载荷谱形式有：常见的载荷谱形式有：

(1) (1) 表明各种不同大小载荷出现次数的载荷频次图 表明各种不同大小载荷出现次数的载荷频次图

(2) (2) 表示不同大小载荷出现次数的载荷频率直方图表示不同大小载荷出现次数的载荷频率直方图

(3) (3) 二维参数表示不同大小载荷出现次数的载荷矩阵图 二维参数表示不同大小载荷出现次数的载荷矩阵图

图 3. 二维载荷矩阵图

(4) (4) 表示不同频率下载荷能量分布的功率谱密度表示不同频率下载荷能量分布的功率谱密度图 图

1.2 1.2 载荷谱的制取载荷谱的制取

顾名思义，载荷谱是对大小不等的所有载顾名思义，载荷谱是对大小不等的所有载

荷的记述。把汽车行驶过程中的载荷实况记荷的记述。把汽车行驶过程中的载荷实况记

录下来，经专用数据处理软硬件处理后，得录下来，经专用数据处理软硬件处理后，得

到载荷的分布形式的具体表达，即为载荷谱。到载荷的分布形式的具体表达，即为载荷谱。

基本获取过程如下：基本获取过程如下：

11．． 3 3 载荷谱的程序化载荷谱的程序化

图图 11 表示的载荷谱是理论的形式，为了适应控制表示的载荷谱是理论的形式，为了适应控制

系统的控制，需要将其分为有限级。常见的是八级。系统的控制，需要将其分为有限级。常见的是八级。

44 级不准确，级不准确， 1616 级没必要。 级没必要。

此程序谱虽然只有 8 级，但是它可以代表原始载荷历程所代表的行驶里程。

2 2 强度试验的依据—加载谱强度试验的依据—加载谱载荷谱反映了载荷分布的形态，是载荷特性，一般不载荷谱反映了载荷分布的形态，是载荷特性，一般不用它进行试验加载，因为存在如下几个方面的问题：用它进行试验加载，因为存在如下几个方面的问题：

①① 试验不能加速。试验不能加速。

②② 试验结构中的每个部件的质量和弹性特性必须和试验结构中的每个部件的质量和弹性特性必须和所记录的现场载荷作用的结果一致。所记录的现场载荷作用的结果一致。

③③ 试验时间长，导致试验费用高。试验时间长，导致试验费用高。

基于这些考虑，提出了加载谱的概念。加载谱也基于这些考虑，提出了加载谱的概念。加载谱也是载荷谱。 是载荷谱。

22．． 1 1 一维加载谱一维加载谱

由一维载荷谱演变出来。为了加速试验，由一维载荷谱演变出来。为了加速试验，需要对一维载荷谱（幅值谱）采取加速处理的需要对一维载荷谱（幅值谱）采取加速处理的方法。方法。

一般采用的加速处理方法有如下几种：一般采用的加速处理方法有如下几种：

第一、删除无效载荷；第一、删除无效载荷；

主要原则：最大载荷的主要原则：最大载荷的 10%10% 。 。

第二、强化原始载荷；第二、强化原始载荷；

第三、提高试验频率；第三、提高试验频率；

在在 33～～ 150HZ150HZ 之间寿命无明显差异。之间寿命无明显差异。

大于大于 150HZ?150HZ?

小于小于 3HZ?3HZ?

第四、低级载荷转移；第四、低级载荷转移；

遵循等损伤、同分布原则。遵循等损伤、同分布原则。

第五、综合加速处理。第五、综合加速处理。

可以综合运用上述可以综合运用上述 44条，任意组合。条，任意组合。

22．． 2 2 二维加载谱二维加载谱

加载过程中同时控制均值和幅值的变化。加载过程中同时控制均值和幅值的变化。 均值和幅值同时强化；均值和幅值同时强化； 均值保持在均值保持在 22～～ 33 个级别，幅值用较多的级别。个级别，幅值用较多的级别。

由于均值对疲劳寿命影响较小，一般将均值等间由于均值对疲劳寿命影响较小，一般将均值等间隔划分为隔划分为 88 个级别；幅值不等间隔划分为个级别；幅值不等间隔划分为 88 个级别。个级别。二维加载谱和二维载荷谱一样都是矩阵式数字表达。 二维加载谱和二维载荷谱一样都是矩阵式数字表达。

基于图基于图 1010 ，可以得到矩阵表达的二维加载谱。，可以得到矩阵表达的二维加载谱。

图 11. 典型二维加载谱示例

2.3 2.3 基于加载谱的加速试验基于加载谱的加速试验

由于连续载荷谱被有限级的载荷所代替，为了加速由于连续载荷谱被有限级的载荷所代替，为了加速试验进程，需要对阶梯状程序谱进行处理。试验进程，需要对阶梯状程序谱进行处理。

2.3.1 2.3.1 程序试验程序试验

低—高次序和高—低次序，产品研究中已少用。低—高次序和高—低次序，产品研究中已少用。

2.3.22.3.2 伪随机试验伪随机试验

每级载荷出现的次序由预先设置好的随机数序列确每级载荷出现的次序由预先设置好的随机数序列确定。该级载荷一出现，将连续施加加载谱中确定的次定。该级载荷一出现，将连续施加加载谱中确定的次数。数。

2.3.3 2.3.3 随机试验随机试验

每级载荷出现的次序由计算机实时产生的随机数确每级载荷出现的次序由计算机实时产生的随机数确

定。每一次加载都可能载荷级别不同。这对综合考虑定。每一次加载都可能载荷级别不同。这对综合考虑

加载次序对疲劳寿命的影响很有帮助。 加载次序对疲劳寿命的影响很有帮助。

3 3 室内外当量关系室内外当量关系

试验的目的是为建立室内外当量关系。它指具试验的目的是为建立室内外当量关系。它指具有相同的损伤时，试验室条件下的循环时间和使用有相同的损伤时，试验室条件下的循环时间和使用里程之间的对应关系。一个载荷谱，或者一个谱块，里程之间的对应关系。一个载荷谱，或者一个谱块，代表一定的行驶里程。扩展后，里程数增长了数倍。代表一定的行驶里程。扩展后，里程数增长了数倍。加速处理后，又增长了若干倍。如果以此谱试验若加速处理后，又增长了若干倍。如果以此谱试验若干个循环块后结构破坏，则可以推定结构能实际行干个循环块后结构破坏，则可以推定结构能实际行驶的里程数。这时的当量关系为：台架驶的里程数。这时的当量关系为：台架 11 小时相小时相当于实际行驶多少公里。 当于实际行驶多少公里。

例如：在例如：在 200km200km 的典型地段上，测试载荷并处的典型地段上，测试载荷并处理出载荷频次。理出载荷频次。

6.66.6万次相当于万次相当于 200km200km ，， 11百万次相当于百万次相当于 3000km3000km 。。在实验机上按此图加载，一个块循环就有对应的当量关系。在实验机上按此图加载，一个块循环就有对应的当量关系。

如把幅值小于最大值的如把幅值小于最大值的 12.5%12.5% 的载荷略去，可减少一的载荷略去，可减少一半的试验时间。现场行驶半的试验时间。现场行驶 3000km3000km ，可用，可用 5×105×1055循环来代循环来代替。换句话说，替。换句话说， 5050万次相当于万次相当于 3000km3000km 。。

当将载荷强度增加当将载荷强度增加 30%30%时，如图时，如图 88 ，试验就可以加速，试验就可以加速5.55.5倍（倍（ S-NS-N 曲线曲线 m=5.5m=5.5 ）。即）。即 5050万次相当于万次相当于 16500km16500km 。。

如果试件平均在经历如果试件平均在经历 2020 个循环块后破坏，则个循环块后破坏，则 11千万次千万次相当于相当于 330000km330000km. .

从上述例子可以看出，室内外当量关系具从上述例子可以看出，室内外当量关系具

有重要的学术意义和工程价值。为了既反映载有重要的学术意义和工程价值。为了既反映载

荷的次序作用效应，又体现快速模拟试验的经荷的次序作用效应，又体现快速模拟试验的经

济效益，通常一个谱块的次数以试件循环济效益，通常一个谱块的次数以试件循环 11

55～～ 2020 个块后破坏为判断标准。个块后破坏为判断标准。

比如，经过各种加速处理后，一个谱块的次比如，经过各种加速处理后，一个谱块的次数为数为 3600036000 次，凭主观判断，应该是可行的。如次，凭主观判断，应该是可行的。如果一个谱块的次数是果一个谱块的次数是 1000010000 次，次， 2020块后断裂，块后断裂，试件的台架寿命在试件的台架寿命在 2020万次左右。这时，一个谱万次左右。这时，一个谱快相当于行驶里程数会很大，即当量关系可能达快相当于行驶里程数会很大，即当量关系可能达到室内到室内 11万次相当于行驶万次相当于行驶 15000km(15000km( 试件的规定试件的规定耐久里程为耐久里程为 300000km)300000km) 。当以此当量关系估计。当以此当量关系估计试件总体使用寿命时，往往会出现较大的误差。试件总体使用寿命时，往往会出现较大的误差。

确定室内外当量关系必须首先获取准确的载确定室内外当量关系必须首先获取准确的载荷谱，谨慎地编制加载谱，合理选择材料特荷谱，谨慎地编制加载谱，合理选择材料特性参数，更要让试验和试验系统处于统一的性参数，更要让试验和试验系统处于统一的控制原则下。控制原则下。

总之，室内外当量关系是结果，确定这个关总之，室内外当量关系是结果，确定这个关系关键在于过程。系关键在于过程。

4 4 研究性强度与寿命试验研究性强度与寿命试验 强度试验：验证性、对比性、检测性、研究性等。强度试验：验证性、对比性、检测性、研究性等。

验证性试验：验证性试验：为了考察结构的功能以及与计算结果对比；为了考察结构的功能以及与计算结果对比；

对比性试验：对比性试验：往往将两种或多种工艺条件下的试件在同一往往将两种或多种工艺条件下的试件在同一个规定的载荷下进行试验，考察给定的强度参数（如屈服个规定的载荷下进行试验，考察给定的强度参数（如屈服点、极限静强度、疲劳寿命等）；点、极限静强度、疲劳寿命等）；

检测性试验检测性试验：按照规定的检测标准（：按照规定的检测标准（ ISOISO 、、 GBGB 、、 ZBZB 、、QBQB 等）对试件的规定强度指标进行试验，考察对指标的等）对试件的规定强度指标进行试验，考察对指标的满足程度；满足程度；

研究性试验研究性试验：为了确定试件的合理结构尺寸、研究材料：为了确定试件的合理结构尺寸、研究材料

和工艺选择的合理性。 和工艺选择的合理性。

当主要的使用要求（如驱动半轴的可靠性指标为当主要的使用要求（如驱动半轴的可靠性指标为 5000050000

0km0km 具有具有 99%99% 的可靠度）确定后，工艺师必须对材料的可靠度）确定后，工艺师必须对材料

和工艺的初选提出建议，设计工程师必须根据结构布置和工艺的初选提出建议，设计工程师必须根据结构布置

的要求提出设计尺寸方面的基本图纸。强度研究工程师的要求提出设计尺寸方面的基本图纸。强度研究工程师

或试验工程师必须根据试件的使用条件对其使用可靠性或试验工程师必须根据试件的使用条件对其使用可靠性

指标做出评价。这种评价可以是试件试验，也可以是软指标做出评价。这种评价可以是试件试验，也可以是软

件计算分析。 件计算分析。

研究性强度试验主要任务有如下几项：研究性强度试验主要任务有如下几项：

建立载荷特性的数据库（主要指测试与采集试验）；建立载荷特性的数据库（主要指测试与采集试验）；

探索结构强度与可靠性的快速评价方法；探索结构强度与可靠性的快速评价方法；

制定结构强度的试验或检测标准；制定结构强度的试验或检测标准；

提供产品设计（优化、可靠性、轻量化）的依据。提供产品设计（优化、可靠性、轻量化）的依据。

研究性台架强度试验有静强度、静刚度、疲劳寿研究性台架强度试验有静强度、静刚度、疲劳寿

命、低载强化等多种。所以说强度试验不仅是寿命试命、低载强化等多种。所以说强度试验不仅是寿命试

验。即使是寿命试验，也有一般疲劳寿命和低载强化验。即使是寿命试验，也有一般疲劳寿命和低载强化

寿命之分。寿命之分。

4.1 4.1 基于程序载荷谱的寿命试验基于程序载荷谱的寿命试验

根据载荷谱做寿命试验，对于确定比较复根据载荷谱做寿命试验，对于确定比较复杂的结构的使用寿命意义重大。当固定载荷谱杂的结构的使用寿命意义重大。当固定载荷谱中各级载荷的相对次序时，典型的加载模式如中各级载荷的相对次序时，典型的加载模式如下图： 下图：

如果按随机序列加载，则可以考虑实际载荷如果按随机序列加载，则可以考虑实际载荷的随机性；的随机性；

如果删除不同的低幅载荷，则可以考察这些如果删除不同的低幅载荷，则可以考察这些低幅载荷造成的损伤程度，为设计时计算各低幅载荷造成的损伤程度，为设计时计算各级载荷造成的损伤提供依据。级载荷造成的损伤提供依据。

4.2 4.2 基于载荷谱的恒幅寿命试验基于载荷谱的恒幅寿命试验

载荷谱虽然有较好的代表性，但是常常会发现使载荷谱虽然有较好的代表性，但是常常会发现使

用不方便。而且由于试验机等级的不同，有时等幅试用不方便。而且由于试验机等级的不同，有时等幅试

验就显得快捷和方便。这时，需要将包含多级载荷的验就显得快捷和方便。这时，需要将包含多级载荷的

载荷谱转化为只有一级载荷的等幅谱。原则是将载荷载荷谱转化为只有一级载荷的等幅谱。原则是将载荷

谱中各级载荷造成的损伤分别计算列表，取具有最大谱中各级载荷造成的损伤分别计算列表，取具有最大

损伤值的那一级载荷作为等幅试验载荷，其它各级都损伤值的那一级载荷作为等幅试验载荷，其它各级都

按等损伤的原则向该级载荷转移。例如某零件的载荷按等损伤的原则向该级载荷转移。例如某零件的载荷

谱如下：谱如下：

载荷级 循环次数 损伤计算 优选载荷 转移次数 当量次数1 1 0.000005 14

2 23 0.000013 87

3 187 0.000018 92

4 514 0.000156 76

5 2326 0.0026 ★★ 2326 10724

6 6851 0.0021 4164

7 17928 0.0008 3965

图 14 当量等幅载荷计算图这样，等幅条件下第 5 级连续作用 10724 次相当于原载荷谱造成的损伤。

4.3 4.3 基于基于 S—NS—N 曲线的低载强化寿命试验曲线的低载强化寿命试验

为了得到理想的结构设计尺寸，需要获得为了得到理想的结构设计尺寸，需要获得

结构的低载强化特性，即低幅载荷下疲劳强度结构的低载强化特性，即低幅载荷下疲劳强度

和疲劳寿命提高的程度。“提高”是相对于和疲劳寿命提高的程度。“提高”是相对于 SS

—N—N 曲线而言的。基本的问题是：曲线而言的。基本的问题是： AA ） 什么是） 什么是

低幅载荷？低幅载荷？ BB ） ） S—NS—N 曲线怎样？在这样两个曲线怎样？在这样两个

基础问题解决后，就可以研究结构的低载强化基础问题解决后，就可以研究结构的低载强化

特性。特性。

典型的结构低载强化特性如下图： 典型的结构低载强化特性如下图：

5 5 结束语结束语

强度研究的目的是为设计提供依据；强度强度研究的目的是为设计提供依据；强度

研究的基础是载荷谱；强度研究的手段是试验研究的基础是载荷谱；强度研究的手段是试验

结合计算机分析计算；强度研究离不开试验。结合计算机分析计算；强度研究离不开试验。

试验工程师要研究试验方法；设计工程师更要试验工程师要研究试验方法；设计工程师更要

重视试验结果。试验和设计密不可分。重视试验结果。试验和设计密不可分。

谢谢谢谢 !!欢迎大家光临欢迎大家光临