考虑不确定性的控制臂拓扑优化设计及其疲劳寿命预测

发布时间：2017-10-12 01:25

  本文关键词：考虑不确定性的控制臂拓扑优化设计及其疲劳寿命预测

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【摘要】：目前,汽车在人类生活中的使用愈加广泛,由此带来的石油能源消耗及环境污染问题已引起了全世界的关注。而汽车轻量化设计将成为有效减少汽车燃油消耗及尾气排放的重要途径,因此汽车轻量化已成为全球研究热点,而对汽车零部件进行结构优化设计是实现汽车轻量化设计的主要途径。但目前的研究基本上均未考虑不确定载荷对设计结果的影响,且少有学者对设计结果进行疲劳寿命校验。针对这种状况,本文以汽车控制臂为研究对象,采用具有针对性的方法——结构拓扑优化设计,并且在设计时分别考虑随机路面和极限工况对设计结果的影响。对于两种情况下结构拓扑优化设计结果,本文分别重新建模,且基于名义应力法分别校验其结构疲劳寿命。结果显示:考虑随机路面的设计结果在强度、刚度、轻量化及疲劳寿命方面的综合表现较好。本文具体工作主要包括:(1)简要介绍悬架工作原理及控制臂作用,且基于实际情况调整ADAMS/Car中悬架拓扑模型;选取极限工况,计算选定工况下的轮胎接地力,且根据轮胎接地力利用ADAMS/Car悬架静态仿真得到控制臂载荷;对随机路面进行描述,建立与其对应的ADAMS/Car路面模型,利用悬架动态仿真得到控制臂载荷曲线。(2)对本文所用变密度法进行简要阐述;根据实际模型建立控制臂边界模型,并对该边界模型进行有限元建模以用于拓扑优化设计;根据计算所得两种情况下的控制臂载荷,以柔度最小为约束和体积最小为目标,分别对有限元模型进行拓扑优化计算;对优化结果重新建模,且验证设计结果是否满足强度、刚度及轻量化要求。(3)简要分析了疲劳寿命估计方法,根据材料S-N曲线建立控制臂的S-N曲线;选取六种工况对控制臂进行疲劳寿命计算,且利用有限元方法分别计算两种优化结果和原模型的应力;根据计算所得应力及建立的S-N曲线检验设计结果是否满足疲劳寿命要求。
【关键词】：控制臂 不确定性 有限元 拓扑优化 疲劳寿命
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.33
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-17
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 汽车零部件设计现状及发展趋势11-15
• 1.2.1 汽车控制臂设计现状及发展趋势11-12
• 1.2.2 汽车零部件拓扑优化设计现状及发展趋势12-14
• 1.2.3 汽车零部件疲劳寿命预测现状及发展趋势14-15
• 1.3 本文工作及论文结构15-17
• 第二章 悬架控制臂载荷获取17-36
• 2.1 悬架工作原理分析17-19
• 2.1.1 悬架工作原理17-18
• 2.1.2 控制臂概述18-19
• 2.2 极限工况下轮胎接地力计算19-24
• 2.2.1 典型极限工况选取19-20
• 2.2.2 计算公式符号说明20-21
• 2.2.3 轮胎接地力计算21-24
• 2.3 随机路面分析24-27
• 2.3.1 不确定性概述24
• 2.3.2 随机路面描述24-27
• 2.4 控制臂载荷获取27-35
• 2.4.1 控制臂载荷获取方式27
• 2.4.2 多体动力学仿真软件ADAMS-Car简介27-29
• 2.4.3 悬架模型建立29-32
• 2.4.4 控制臂外球销点载荷计算32-35
• 2.5 本章小结35-36
• 第三章 控制臂结构拓扑优化设计36-58
• 3.1 HyperWorks简介36-37
• 3.2 建立有限元模型37-46
• 3.2.1 建立边界模型37-38
• 3.2.2 几何模型处理38-40
• 3.2.3 划分网格40-44
• 3.2.4 划分区域和定义属性44-46
• 3.2.5 定义载荷和子工况46
• 3.3 控制臂结构拓扑优化分析方法46-50
• 3.3.1 拓扑优化概述46-47
• 3.3.2 拓扑优化方法47-49
• 3.3.3 SIMP插值理论49-50
• 3.4 控制臂结构拓扑优化设计50-57
• 3.4.1 OptiStruct优化设计数学基础50-51
• 3.4.2 OptiStruct拓扑优化设置51-52
• 3.4.3 拓扑优化结果52-55
• 3.4.4 优化结果重建模及性能对比55-57
• 3.5 本章小结57-58
• 第四章 控制臂疲劳寿命预测58-74
• 4.1 疲劳分析理论58-62
• 4.1.1 疲劳定义及分类58-59
• 4.1.2 疲劳寿命预测方法59-60
• 4.1.3 疲劳累积损伤理论60-62
• 4.2 载荷谱获取62-65
• 4.2.1 汽车常用工况选取62-63
• 4.2.2 控制臂应力计算63-65
• 4.3 控制臂疲劳寿命预测65-73
• 4.3.1 计算S-N曲线65-69
• 4.3.2 控制臂疲劳寿命估计69-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第五章 总结及展望74-76
• 5.1 本文主要工作及结论74
• 5.2 下一步工作展望74-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-82
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果82-83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 蒋大伟;芮执元;;控制臂多目标拓扑优化研究[J];机械强度;2014年03期

2 刘丰睿;赵丽滨;韩邦成;房建成;;磁悬浮控制力矩陀螺框架结构的拓扑优化设计[J];北京航空航天大学学报;2010年04期

3 隋允康;杨德庆;;A NEW METHOD FOR STRUCTURAL TOPOLOGICAL OPTIMIZATION BASED ON THE CONCEPT OF INDEPENDENT CONTINUOUS VARIABLES AND SMOOTH MODEL[J];Acta Mechanica Sinica;1998年02期

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本文编号：1015884