1.2.1 伪损伤及一些与之相关的等效量
如图1-1a所示,任意一个时域信号(不管它是左前轮六分力的垂向分量,还是轴头加速度,抑或是减振器的相对位移……),都可以通过所谓的Range Pair计数(将在后面详细介绍这种计数的方式)将较小的幅值循环从随机载荷中分离和计数出来,最终得到这样一个计数结果:幅值是σi的载荷在被计数的随机时域信号中出现了ni个循环,也就是给出了用二维数组(σi,ni)表示的结构载荷历程。
在此基础上,结合疲劳损伤理论中的Miner线性损伤累积假设,可以将时域信号转化成与损伤相关联的一种数值。Miner线性损伤累积假设不难理解:如图1-1b所示,对一个结构施加单一的恒幅值载荷σi,根据相应的S-N曲线可以知道该结构能够承受Ni周次的循环载荷;但是,如果经由Range Pair计数发现某一随机载荷过程中对应于幅值为σi的载荷实际上一共出现了ni周次,那么,幅值为σi的载荷造成的损伤Di为Di=ni/Ni。而这一随机载荷造成的总损伤D即为这段随机载荷中大大小小不同幅值的载荷造成损伤的 “线性累积”,也就是。
这种将某一随机载荷向损伤进行的转化是非常粗糙的,因为这里面有太多在进行金属材料和结构疲劳寿命评估时需要考虑的因素都没有考虑在内,因此在车辆耐久性工程领域,习惯于把这种转化生成的与损伤相关联的量值称为“伪损伤”(Pseudo Damage),或者“相对损伤”。
这两个名字取得比较妙。“伪损伤”在于提示和强调这种损伤数值是“伪”的,是假的,把这些数值取倒数,并不对应疲劳寿命结果。在第4章,将详细介绍名义应力法,这是高周疲劳损伤评估中最基础的方法。与“伪损伤”相对,以名义应力法为代表的疲劳寿命评估方法给出的损伤是“真”损伤,或者更严肃地称为“绝对损伤”。对于材料和结构的绝对损伤和疲劳寿命进行评估,给出更为稳健、普适和精确的评估模型和理论,一直是疲劳领域和学界的核心话题之一。
图1-1 Range Pair计数与Miner线性损伤累积假设[2]
既然伪损伤那么粗糙,那么这种量值的存在还有什么意义呢?“相对损伤”的命名提醒大家,要从“相对”的角度去理解和利用这一计算结果。如图1-2所示,如果让六位驾驶员驾驶同一车辆,在同一路面上各行驶一圈,取得六个数据样本,那么对这六个时域数据样本都进行Range Pair计数,继而计算伪损伤,伪损伤的数值有一个分布和变化,有的大,有的小,这反映了驾驶习惯的变异性。如上所述,从每一个损伤的数值来看,这六个损伤数值都是“伪”的,但是,这六个数值之间的“相对”关系是真实的,也就是说,谁开车比较“费”,谁开车比较“省”,这种相对关系的反映是客观的。究其原因,是在伪损伤的计算过程中,抓住了载荷幅值变化对于材料和结构疲劳寿命影响这个最主要的因素,因此尽管其结果比较粗糙,但是从相对意义上去理解和利用这一信息还是可以的,并会在车辆耐久性工程中发挥巨大的作用。
由于车辆耐久性的设计指标往往关联于某一设计里程,因此常常将一段载荷的伪损伤数值D除以这段载荷所对应的行驶里程L,并将这一数值称为伪损伤密度d=D/L,这样使用起来更加方便。
与伪损伤相关的还有一个常用“变体”——等效幅值。指定一个与疲劳极限定义相关联的周次ne,由于疲劳极限的定义不唯一,ne可以是一百万次,也可以是其他数值,有一定的可变性。要计算这样一个幅值:在恒幅值Aeq载荷作用ne个周次后,材料和结构累积的(伪)损伤与某一指定过程中累积的(伪)损伤D相等(等效),那么这个等效幅值Aeq为
式中,k是采用幂指数形式表达的S-N曲线中[式(4-2)]的两个材料参数之一,而(σi,ni)为累积形成伪损伤D的载荷历程。
图1-2 从相对损伤的角度理解和运用伪损伤[2]
在道路载荷数据分析和载荷谱的编制过程中,究竟是采用伪损伤D、伪损伤密度d,还是采用以等效幅值Aeq为代表的一些变体,不会对分析本身产生实质性的影响,只是在不同的场合、阶段和不同的企业,有一些自己的习惯,以方便工作的开展。
在介绍了“事件”的概念和“伪损伤”的概念后,正式引入车辆耐久性工程中的一类重要随机变量,这一类随机变量具体有很多,如:
X1=车辆累积行驶里程达到设计里程时左前轮垂向六分力对应的伪损伤
类似的:
X2=车辆累积行驶里程达到设计里程时左前轮轴头垂向加速度对应的伪损伤密度
X3=车辆累积行驶里程达到设计里程时左前悬减振器相对位移对应的等效载荷幅值
概括起来,车辆耐久性工程中的一类重要随机变量是:
Xi=车辆累积行驶里程达到设计里程时车辆某处的某载荷对应的伪损伤(或伪损伤密度,或等效载荷幅值……)
可以看到,随机变量Xi属于连续型随机变量,是本书讨论的核心,包括获取这一类量值的数据处理方法,以及用到的统计方法。围绕这类变量的讨论不仅贯穿本书的始终,也贯穿了车辆耐久性工程的诸环节。