重型卡车金属结构件可靠性设计变量控制方法研究

范禅金，田啟东，种晖

（陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，陕西 西安 710200）

前言

可靠性是产品的重要质量特性[1]。对作为生产力工具的重卡而言，可靠性水平的高低显著影响用户运营效益和企业口碑。随着我国商用车迈向高端以及打入国际高端重卡市场的需求日益迫切，可靠性的提升成为一个重要突破口。商用车可靠性的提升是一个系统工程，包括不同细分市场车型可靠性定位、指标分配、工况分析、可靠性设计、制造、可靠性验证、一致性管理等环节。

目前我国商用车行业正在掀起正向开发的浪潮，精准获取用户需求，完成从需求分析到产品可靠性设计，再到可靠性验证的正向开发过程。本文聚焦可靠性正向开发流程中的关键环节-可靠性设计变量控制，主要研究了典型金属结构件可靠性设计输入（可靠性指标与载荷谱）与设计变量控制方法，为金属结构件设计变量控制提供一种方法。

1 金属结构件载荷谱

零部件的工况信息是进行可靠性设计的必要输入条件。金属结构件在车辆运行过程中受到一定规律的载荷，需采集该载荷谱数据（如图1所示）。进一步利用雨流计数法[2-4]，将载荷谱转化为谱块（单位里程内包含不同力幅分段及其频数信息）。可利用疲劳线性累积损伤理论[5]进一步将谱块简化为力幅一定的等效载荷及其频数。该谱块用于里程可靠性指标到疲劳寿命指标的转化。

图1 某推力杆载荷谱数据及其谱块

2 金属结构件特征可靠性指标

对于长寿命金属结构件，通常其分配得到的可靠性指标是B10里程寿命（例如100万公里）。为便于进行可靠性设计，通常需将里程可靠性指标转化为特征可靠性指标（疲劳寿命指标）。以失效模式为疲劳破坏的某推力杆杆身为例，假设其B10寿命里程为L（里程L内不发生失效的概率为90%），载荷谱谱块对应的里程为l，等效力幅为F0（谱块频数为n）。该推力杆对特定谱块的循环数K应为：

进一步，等效力幅F0的循环数应为S：

式（2）表示推力杆在 S次循环内不发生失效的概率为90%，即为特征可靠性指标。特征可靠性指标是里程可靠性指标与可靠性设计之间的纽带。

3 金属材料P-S-N曲线

金属材料疲劳失效规律通常用S-N曲线描述，S-N曲线表示特定材料在不同应力水平下对应的循环寿命。但一般的S-N曲线并没有不同可靠度的循环寿命曲线。疲劳寿命是一个随机变量，因此，要用概率统计方法进行寿命设计。

图2 金属材料P-S-N曲线[6]

将各应力水平下的疲劳寿命分布曲线上等可靠度的点用曲线拟合起来，就得到不同可靠度的一组 S-N曲线，称为P-S-N曲线（概率-应力-寿命曲线），如图2所示。其中每一条曲线代表某一可靠度下的S-N曲线。可根据需要绘制不同可靠度的S-N曲线，以满足设计需要。

4 金属结构件设计变量控制方法

推力杆的特征可靠性指标为S次循环寿命（力幅为F0）的概率为90%。该推力杆的可靠性设计即是找到适当的应力幅值，使其满足特征可靠性指标要求。首先在P-S-N曲线数据库中找到概率为90%的S-N曲线，对该曲线循环数取值S，相应地纵坐标值即为该推力杆应工作的应力幅值σ0。

该推力杆为二力杆机构，假设其杆身最小横截面面积为A，则其在力幅F0作用下产生的应力幅为F0/A。查询P-S-N曲线中可靠度为90%的曲线，通过循环寿命S反查对应的应力值σ0，则通过求解下式计算推力杆的横截面面积A：

通过求解式（3）即可计算出满足特征可靠性指标时，推力杆应具有的横截面面积（直径）。由于横截面面积为推力杆的唯一设计变量（材料与工艺不变），即完成了对推力杆的可靠性设计（设计变量控制）。若设计对象为复杂类型结构件，具有多个设计变量，则应预先限定多数设计变量，剩余一个设计变量。

5 结论与展望

本文对金属结构件的可靠性设计方法进行了研究。提出了包含概率统计意义的特征可靠性指标的概念。相对于通常的耐久性设计，其强调了指标的概率统计概念，是一种较为精准的可靠性指标定义。通过采集金属结构件的载荷谱数据，了解用户使用情况，作为可靠性设计的输入，体现了正向设计的理念。本文创新性地利用P-S-N曲线，使得包含有概率统计概念的特征可靠性指标得以实现。本文提出的金属结构件可靠性设计方法为金属结构件的可靠性设计提供了一条思路。需要强调的是，P-S-N曲线呈现了材料疲劳寿命的概率分布特性，是金属结构件可靠性设计的必要基础数据，制造企业应积累自己常用金属材料的P-S-N曲线数据库，支持金属结构件可靠性设计。