车辆耐久性载荷分析

车辆耐久性是关乎车辆使用安全性和可靠性的重要质量属性。由于车辆在客户端的真实使用工况非常复杂，因此，密切贴合用户实际使用工况进行耐久性载荷分析成为提高车辆耐久性的重要方法。本书介绍了车辆耐久性载荷分析中经常使用的、经典统计学中的一些重要结论和方法，道路载荷数据处理的常用方法，并介绍了金属材料与结构高周疲劳损伤和寿命评估的基础理论，以明确构建金属结构疲劳损伤相似性时载荷方面所应注意的诸多因素，并通过案例对车辆耐久性台架试验载荷谱的编制和整车耐久性试验场强化路面规范的编制进行了说明。本书适用于汽车行业从事道路载荷数据分析、车辆耐久性台架试验、整车耐久性强化路面试验和车辆耐久性仿真的相关技术人员学习参考，也可作为高等院校汽车相关专业师生的参考书。

李旭东，理学博士，高级工程师，中汽中心学科带头人（汽车可靠性试验评价技术方向），中汽研汽车检验中心（天津）有限公司项目总监，北京理工大学机械与车辆学院兼职研究生导师。

田程，工学博士，高级工程师，中国汽车技术研究中心学科带头人，中国汽车工程学会可靠性分委会委员。长期从事汽车整车及零部件机构耐久性仿真、测试及评价工作，对于车辆耐久性载荷谱采集方法、整车轴耦合和轮耦合道路模拟台架验证原理及实践方法有较深研究。多年来组织团队为国内外众多企业开展了耐久性研发验证服务工作。

1.车辆耐久性工程的研发是否贴合和关联于目标客户群体的实际使用工况，以及车辆耐久性工程的各个环节之间是否协调、统一，影响车辆的可靠性，关乎车辆的使用安全性。

2.对于这一挑战的应对，需要三方面知识和技能的综合运用：金属材料和结构的疲劳损伤理论+统计学理论与方法+载荷数据处理能力，本书正是围绕这三方面的内容综合展开的。

3. 希望本书的这些内容能够对于车辆耐久性载荷分析工作的合理和有效开展起到一定的作用。

车辆耐久性是指车辆在规定的使用和维修条件下，对其使用寿命的一种度量，是车辆长期重复地发挥其功能的能力，是一种质量属性，影响车辆的可靠性，关乎车辆的使用安全性。疲劳失效是影响车辆结构耐久性和机械可靠性的主要失效模式之一。由于金属结构的疲劳损伤和疲劳寿命对外部载荷的变化极其敏感，而车辆在设计使用里程内、在用户的使用过程中经历的载荷历程又极其复杂和多变，这对于如何从用户的实际使用工况出发，收集、分析和提炼有效的载荷信息，合理指导包括耐久性仿真、耐久性台架试验验证、整车耐久性路试等车辆耐久性工程的诸环节，提出了较大的挑战。这一挑战应对是否得当，将决定车辆耐久性工程的研发是否贴合和关联目标客户群体的实际使用工况，以及车辆耐久性工程的各个环节之间是否协调、统一。

为了应对这一挑战，需要三方面知识和技能的综合运用。第一，金属材料和结构的疲劳损伤理论，尤其是高周疲劳损伤理论。这对于针对疲劳失效机理，从载荷信息中寻找和提炼与这一失效形式密切相关的有效信息起到重要的方向性导引作用。第二，统计学理论与方法。由于车辆在用户的实际使用过程中有众多的随机因素，导致车辆所经受的载荷历程呈现极大的统计变异性，对车辆载荷进行耐久性方面的分析，统计学的一些经典理论、成果和方法是大有用武之地的。第三，载荷数据处理能力。道路载荷数据分析所面对的往往是海量的载荷时域数据信息，如果没有高效和强大的载荷数据处理分析能力，即便有好的理论方法、技术路线，也终将是空中楼阁，无法最终落地。

本书的结构正是围绕这三方面的内容综合展开。对于疲劳理论相关的内容，不涉及高深和前沿的疲劳寿命评估方法，而以指出在车辆耐久性载荷分析中与金属结构疲劳失效密切相关的信息为目的。对于统计理论和方法的介绍，小到一个统计学的概念和定义，大到经典统计理论中的重要成果、结论和方法，全部以车辆耐久性工程为应用背景，给出了解读、释义和案例。

全书的内容安排如下：

第1章，以车辆耐久性工程为背景，介绍了道路载荷数据分析过程中经常使用的经典统计学的概念、定义、定理、重要结论和方法。

第2章，介绍双干涉模型。在耐久性仿真以及众多的耐久性零部件台架试验中都需要借助双干涉模型来合理地安排安全裕度。

第3章，介绍道路载荷数据分析过程中的重要方法。这些具体的方法把车辆耐久性载荷分析的整体思路和技术路线真正落到实处，具备工程可实现性。

第4章，介绍金属材料和结构的高周疲劳损伤和寿命的评估理论，并借此明确在构建金属结构疲劳损伤相似性的过程中，在载荷维度上应该注意的主要因素。

第5章，通过几个案例，对于如何在耐久性试验台架和整车耐久性路试过程中合理编制试验规范和载荷谱，以更好地贴近车辆目标客户群体的实际使用工况进行了说明。

为配合第3章的内容，让读者对于TecWare软件的操作有更直接和方便的了解，录制了TecWare软件主要功能的操作视频，可以通过百度云盘下载：

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有技术问题可通过[email protected]联系作者咨询，亦可关注如下“耐久论坛”公众号：

希望本书能够对合理和有效地开展车辆耐久性载荷分析工作起到一定的作用。

由于作者水平有限，书中难免有错误和疏漏之处，恳请读者批评指正。

李旭东 田程

当下，中国汽车产业正处在由“高速发展”向“高质量发展”转型的关键时期。高质量发展，离不开高质量的产品。耐久性作为检验汽车产品质量的核心要素，对汽车产品市场口碑发挥着重要作用。

在汽车产品电动化、智能化、网联化快速发展的大背景下，动力电池、电驱电控、线控底盘等一系列新构件、新技术在新车型上得到了广泛的应用，同时也给车辆耐久性这一较为传统的技术领域带来了全新的挑战。如何为智能电动汽车及其关键部件构建出一套科学合理的耐久性测试评价体系，已成为汽车行业亟待解决的共性技术问题。

中国汽车技术研究中心有限公司（以下简称中汽中心）相关科研团队凭借自身在车辆可靠性设计及验证领域深耕多年的技术积累，围绕“车辆耐久性载荷分析”这一主题，撰写了本书。本书详细梳理和推证了以载荷分析为基础的车辆耐久性开发核心领域的整体思路、技术流程、重要理论基础和实用工程方法，并分享了中汽中心近年来在耐久性“用户关联”等行业共性技术领域所取得的最新成果。希望一本书的出版能够帮助汽车行业尽快解决车辆耐久性领域的核心技术问题，并提升相关领域的研发及验证水平。

根深方可叶茂，固本才能枝荣。中汽中心愿与行业同仁一道，共同夯实我国汽车产业核心基础技术，助力汽车产品质量提升，引领我国汽车行业持续向前发展。

周华

中汽中心副总经理

2022年11月24日于天津

序

前言

第1章车辆耐久性道路载荷数据分析的统计学基础1

1.1事件的概率1

1.1.1事件1

1.1.2事件的蕴含及相等2

1.1.3事件的互斥和对立2

1.1.4事件的和2

1.1.5事件的积3

1.1.6条件概率3

1.1.7事件的独立性，概率乘法定理3

1.1.8 全概率公式3

1.2随机变量的概念4

1.2.1伪损伤及一些与之相关的等效量5

1.2.2连续型随机变量的分布及重要例子7

1.3多维随机变量（随机向量）10

1.3.1边缘分布10

1.3.2条件概率分布11

1.3.3随机变量的独立性12

1.4随机变量的数字特征13

1.4.1数学期望（均值）13

1.4.2方差和标准差16

1.4.3协方差与相关系数16

1.4.4总方差公式17

1.5参数估计18

1.5.1一些重要的基本概念18

1.5.2一种重要的点估计——极大似然估计19

1.5.3区间估计21

1.6假设检验问题概述23

1.6.1拟合优度检验23

1.6.2重要参数检验27

1.7回归分析39

1.7.1一元线性回归40

1.7.2多元线性回归48

1.8相关分析55

1.8.1相关系数56

1.8.2偏相关系数65

1.9方差分析67

1.9.1单因素完全随机化试验的方差分析67

1.9.2多因素完全随机化试验的方差分析70

第2章用双干涉模型进行车辆耐久性工程中诸多不确定度的分析和量化73

2.1双干涉模型73

2.1.1载荷分布73

2.1.2强度分布——对企业质量管理体系和水平的考验74

2.2车辆耐久性工程的核心“距离”Φ75

2.3双干涉模型对于设计工作的指导78

2.3.1设计载荷Ldl的确定78

2.3.2设计工作的任务78

2.4双干涉模型对于试验工作的指导78

2.5更复杂的情况79

第3章基本载荷分析与编辑方法82

3.1基本载荷分析方法82

3.1.1幅值域载荷分析方法82

3.1.2频域载荷分析方法101

3.2载荷编辑方法102

3.2.1时域信号编辑102

3.2.2幅值域信号编辑113

第4章基于名义应力法对结构的疲劳损伤进行分析119

4.1疲劳损伤的过程和背景119

4.2一些基本定义以及S-N曲线119

4.3名义应力法的基本思路122

4.3.1光滑试样影响S-N曲线的若干因素122

4.3.2缺口对于S-N曲线的影响130

4.4工程中实际运用名义应力法的不同策略132

4.5多轴疲劳问题概述133

4.5.1比例加载多轴疲劳问题134

4.5.2非比例加载多轴疲劳问题134

4.5.3多轴疲劳问题中如何处理缺口136

4.6从名义应力法归纳制定台架加速试验方案时所应关注的要点138

第5章台架及强化路面试验规范的制定141

5.1需要统筹考虑载荷分布与强度分布两个方面的情形141

5.1.1排气系统冷端后挂钩及消声筒焊缝台架试验规范的制定141

5.1.2旋转试验台架加速试验案例146

5.1.3单轴电磁振动台加速试验案例150

5.1.4车轮双轴疲劳损伤模型及试验加速158

5.2主要考虑载荷分布的情况175

5.2.1四立柱台架加速试验案例175

5.2.2试验场强化路面试验规范的制定179

参考文献187