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    小汽车减震器的疲劳分析
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    • 机制1504-王舜-2015201613_开题报告
      减震器开题报告1.课题研究立项依据(所选课题的来源、科学意义、目的,国内外研究现状)
      1.1所选课题的来源
      汽车支柱式减震器将减震器和弹簧集成在一起,用于承担发动机,车身,底盘,货物和乘客的重量,同时缓和并衰减汽车行驶中由于车速,路面激励造成的冲动振动,弹簧下座作为支柱式减震器的重要承载零件,其可靠性不仅关系到汽车行驶平顺性,还关系到行驶安全性。
      在汽车产品的研制过程中,需要对零件部件进行大量的台架实验和整车耐久实验,不仅试验费用高,周期长,而且问题大多出现在产品设计完成之后,这对设计更改带来一定难度,通过有限元疲劳仿真分析,可以在产品设计初期对产品进行疲劳耐久预测,找到结构的薄弱环节,提出合理的改进方案,以大幅减少或最终取代部分疲劳试验,随着计算机以及计算机硬件水平的逐步提高,汽车关键零部件的设计水平从寿命定性设计到寿命定量设计已成为可能。
      1.2科学意义及目的
      随着人们对汽车舒适性和稳定性的要求越来越高,汽车在行驶过程中的振振动问题凸显出来,也成为限制舒适性和稳定性的短板,这时对人们需要使用到一个重要部件—减震器。减震器除了可以带来舒适的乘车体验以外,还可以减少汽车其他零部件的损耗程度,延长其使用寿命。
      减震器是汽车悬挂系统的重要部件,如果把发动机比喻为汽车的“心脏”,变速器为汽车的“中枢神经”,那么底盘及悬挂系统就是汽车的“骨骼骨架”。悬挂系统不仅决定了一辆汽车的舒适性与操控性,同时对车辆的安全性起到很大的决定作用。从而成为衡量其质量及档次的重要指标。
      1.3国内外研究现状
      1.3.1疲劳分析的发展历史及研究现状
      1839年巴黎大学教授J.U.Poneelet在讲课时,首先使用了“金属疲劳”的概念。
      1850-1860年德国工程师Wholer首先开展了疲劳的试验研究,并提出了应力-寿命图和疲劳的概念。
      1864年H.Gerber与Goodaman提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。
      1871年,德国人Wohlor在发表的论文中,系统的描述了疲劳寿命与循环应力之间的关系,提出了S-N曲线和疲劳极限的概念,奠定了金属疲劳研究的基础。
      1910年,O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律。Bairsotw研究指出形变滞后与疲劳破坏的关系。
      1924年Palmgren首先提出了线性累积损伤原理。
      1929年B.P.Haigh研究了缺口敏感性。Manson和Coffin分别独立提出了发生疲劳破坏时的载荷反向次数同塑性应变幅的经验关系,即。Manson-Coffin应变-寿命原理。
      1945年Miner推导出了Palmgren-Mnier线性累积损伤理论。
      1961年Nebuber提出了描述缺口非线性应力-应变特性的定律。
      1969年Toper.T.H等人提出了用Nebuber公式和光滑试样的试验数据确定缺口疲劳寿命的简化方法。
      1971年WetezlR.M使局部应力应变法很快发展起来。
      1980年,E.B.Huagne出版了比较全面的概率疲劳设计专著,另外对随机荷载下长寿命区疲劳寿命的研究以及概率疲劳损伤力学,概率断裂力学的出现将疲劳研究推向了一个崭新的阶段。
      从1982年起,相继在美国,英国,德国,波兰以及葡萄牙等国家多次召开了疲劳国际学术会议,多轴疲劳研究已从80年代初由单纯的比与非比例加载下材料的疲劳行为发展到现在如何针对工程实际载荷情况进行疲劳损伤及寿命预测方面上来。国内也有一些高校和科研单位对减震器的疲劳进行了大量研究,如清华大学,西南大学,西安交通大学,天津大学等多轴循环本构关系进行了大量研究。东北大学,南京航天航空大学,北京工业大学等对疲劳损伤及寿命预测等方面进行了大量的研究,取得了很重要的研究成果。
      1.3.2 减震器的发展历史及研究现状
      1.回顾历史的减震器
      减震器的统一原理是通过阻尼运动损耗振振动过程中产生的能量,下面介绍三种减震器都遵循这一遵旨。
      1.1弹簧减震器
      弹簧减震器是最早的减震装置,其优点能稳定的减少震动,但缺点是产生共振。
      1.2液压减震器
      是20世纪初出现的,这种减震器也用到了橡胶,但由于其减震效果容易受到温度的影响,减震器体积大,结构复杂等缺点逐渐被淘汰。
      1.3充气式液压减震器
      这种减震器产生阻尼的原理为:汽车震动带来的活塞往复运动时上下腔产生油液差,压力差带动压力阀和伸张阀来回往复运动,从而产生阻尼,减少震动能量。
      2.减震器发展现状
      我国汽车减震器的发展比起世界发达过年减震器的发展,处于较为缓慢落后的地位,仅相当于发达国家80年代的水平,目前我国大部分汽车的减震器还是用40年代兴起的双筒式液压减震器,高档轿车减震器大部分采用国外进口的方式,这一技术阻碍了我国汽车技术的发展,成为需要解决的问题。
      经过十多年的发展,我国汽车减震器也在CKD方面取得了极大的进步。首先涌现出一批专业制造汽车减震器的生产厂家,包括清洗机等;其次配套于汽车减震器的其他零部件的生产水平也大大提高,我国制造的减震器及其零部件越来越符合标准,达到了高质量,高标准。
      2.课题研究的基本内容及预期目标或成果
      2.1研究内容
      (1)建立减震器结构模型,对其施加单位荷载。
      (2)利用CAD软件建立减震器三维模型,弹簧下座焊接于贮液缸筒,螺旋弹簧上端压紧弹簧下座,下端压紧弹簧下座的3/4圈螺旋面。
      (3)采用有限元软件ANSYS进行静态应力分析,采用8节点SHELL93高阶壳单元对减震器进行网格离散,以获取较精确的应力分布。
      (4)由于减震器的最大等效应力超过了材料屈服极限,低于强度极限,局部产生一定的塑性形变。利用Neuber修正方法将弹性形变转变为弹塑性应变。
      (5)采用nSoft进行疲劳仿真分析,将对应的静态应力结果导入nSoft,利用Miner准则计算疲劳寿命。
      2.2预期目标
      如果原结构的疲劳寿命小于安全寿命,故需要进行结构优化。结构优化分为两部分,结构修改和材料更改,当疲劳寿命达到无限寿命时,则满足设计要求,提高了减震器整体的性能和质量。
      3.课题的研究方案(拟采用的研究方法、技术路线、试验方案)
      3.1研究方法
      用有限元法进行疲劳分析,由于结构受力状态往往是一复杂的应力状态,而在实验中测得的结构材料S-N曲线又常是在简单应力状态下获得的,因此常用最小能量屈服准则或其它等效准则,将所研究的疲劳点上的复杂应力用一个等效应力替代。对有限元法而言,这一过程很容易实现。等效替代以后,即可参照原始材料的S-N曲线进行疲劳寿命评估。
      3.2技术路线
      收集资料 - 归纳分析 - 确定分析方案 - 基于ANSYS软件分析 - 统计分析结果 - 结果分析-结构优化 - 总结成果 - 吸取经验...
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