車輛疲勞耐久性分析、試驗與優(yōu)化關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、車輛中大多數(shù)關(guān)鍵零部件的失效都是疲勞破壞。疲勞耐久性作為車輛產(chǎn)品主要性能指標之一，直接關(guān)系到車輛安全性、可靠性、經(jīng)濟性，對車輛產(chǎn)品品質(zhì)和聲譽產(chǎn)生重要的影響，因此越來越受到企業(yè)以及用戶的重視。如何對設(shè)計的產(chǎn)品進行疲勞耐久性驗證并解決耐久性問題、最終實現(xiàn)耐久性的提升，成為當今車輛技術(shù)中的研究熱點。在綜述車輛疲勞耐久性的研究現(xiàn)狀以及存在的不足基礎(chǔ)上，本文圍繞著車輛疲勞耐久性的CAE分析、道路模擬試驗驗證、結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化三個領(lǐng)域進行深入的研究，

2、掌握其關(guān)鍵技術(shù)，建立了車輛疲勞耐久性問題的一體化解決方案，為車輛企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)提供有力的指導(dǎo)和技術(shù)支持。本文的研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　 采用預(yù)處理和加速編輯方法對整車道路載荷譜進行處理。采用預(yù)處理技術(shù)，對載荷譜進行毛刺信號剔除、漂移糾正、傅立葉濾波等。通過載荷譜的載荷循環(huán)頻數(shù)、損傷分布分析，確定載荷譜加速編輯的根據(jù)，并提出了載荷譜編輯的原則。為了使編輯后的載荷譜在道路模擬試驗臺上順利的復(fù)現(xiàn)，同時又能節(jié)省試驗時間，本文提出

3、了兼顧損傷和PSD的載荷譜加速編輯方法，減少了編輯后載荷譜在頻域上的失真，促進道路模擬迭代的完成。另外，還提出了載荷譜編輯時針對道路模擬試驗臺迭代能力欠佳的情況下的解決方法。
　　 在室內(nèi)進行道路模擬試驗，復(fù)現(xiàn)汽車在試驗場的各種工況。采用白噪聲信號的激勵與響應(yīng)，實現(xiàn)道路模擬的系統(tǒng)識別，并對識別質(zhì)量進行評價?；谧R別的系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)，并采用迭代的方式，得到試驗臺對輪胎的激勵信號，保證室內(nèi)輪胎中心的加速度信號與試驗場的目標信號誤差

4、足夠小。總結(jié)了迭代過程中增益系數(shù)(gain)的調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)與注意點。室內(nèi)試驗的故障結(jié)果與路試的情況一致，表明道路模擬耐久性試驗的有效性。在耐久性試驗過程中，還建立了基于動態(tài)應(yīng)變監(jiān)測及數(shù)據(jù)統(tǒng)計進行損傷裂紋識別的方法，具有一定的工程應(yīng)用意義。
　　 建立整車剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)分析模型，基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)方法和道路模擬物理迭代獲得的路面激勵，獲取上擺臂的動應(yīng)力響應(yīng)。采用模態(tài)綜合法(CMS)分析，得到上擺臂的柔性體模型并獲得模態(tài)應(yīng)力結(jié)果

5、。利用ADAMS/CARRide提供的虛擬四立柱建立了以上擺臂為柔性體的整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?。本文提出了基于道路模擬物理迭代獲取路面對輪胎的位移激勵的方法，并以此激勵信號作為剛?cè)狁詈戏抡娴倪吔鐥l件，提高了CAE中輸入載荷的精確性與有效性，并實現(xiàn)了CAE仿真與道路試驗采用同樣工況的雙重驗證。剛?cè)狁詈戏抡娴玫饺嵝泽w的各階模態(tài)位移，結(jié)合模態(tài)應(yīng)力結(jié)果，采用模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法得到上擺臂動應(yīng)力響應(yīng)。與路試中動應(yīng)力數(shù)據(jù)對比，結(jié)果表明基于模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)獲取動應(yīng)力

6、的方法精度高，是一種有效的分析方法。
　　 針對汽車部分零部件承受非比例多軸載荷，其材料特性與單軸載荷的情況有顯著區(qū)別，本文對多軸疲勞問題展開研究。建立以下擺臂為柔性體的整車剛?cè)狁詈夏Ｐ?，以道路模擬得到的輪胎激勵為邊界條件，在虛擬樣機中采集輪心處的加速度信號并與試驗場原始目標信號對比，驗證了剛?cè)狁詈夏Ｐ偷挠行裕抡娅@取下擺臂各連接點處的載荷譜。采用慣性釋放法，獲取下擺臂在單位載荷下的應(yīng)力分布。通過二軸性分析，利用二軸比標準偏差

7、、二軸比時間歷程、反映主應(yīng)力方向的角度(φ)p的時間歷程、二軸比對最大主應(yīng)力的分布、角度(φ)p對最大主應(yīng)力的分布等途徑確定下擺臂處于非比例多軸載荷狀態(tài)。最后，采用Wang-Brown方法進行下擺臂多軸疲勞分析，分析結(jié)果與試驗場試驗結(jié)果吻合較好。
　　 針對車架支架與縱梁連接處的頑固開裂，建立了考慮疲勞壽命的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法?；贑AE分析得到車架支架的疲勞壽命，以路試結(jié)果驗證了CAE結(jié)果的有效性，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計做好準備?？紤]疲勞

8、壽命的約束，進行車架支架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化，得到材料的合理分布結(jié)果。依據(jù)該分布結(jié)果，設(shè)計相應(yīng)的加強結(jié)構(gòu)。對車架支架、設(shè)計的加強結(jié)構(gòu)等板件進行了考慮壽命的尺寸優(yōu)化。結(jié)果表明，結(jié)合拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化兩種先進方法，在車架總質(zhì)量不變的條件下，實現(xiàn)車架支架疲勞壽命大幅度提升。
　　 針對在復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設(shè)計中遇到的非線性、計算繁瑣、不易迭代等問題，建立了基于近似模型的結(jié)構(gòu)抗疲勞優(yōu)化設(shè)計方法。通過建立參數(shù)化模型、拉丁超方法(LatinHyp