商用车推力杆性能优化与疲劳寿命预测研究

发布时间：2017-10-29 12:07

  本文关键词：商用车推力杆性能优化与疲劳寿命预测研究

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【摘要】：目前,随着商用车的升级换代,国内品牌更加注重自主研发增加技术含量,在新的竞争环境下取得优势地位。对于重型商用车由钢板弹簧传递垂向力,采用推力杆传递纵向力、侧向力及其相应反作用力矩。起着传力、导向、限位及减振作用的同时,由于使用环境恶劣、承载复杂,而国内又缺乏完善的正向设计理论和相关寿命试验数据,致使推力杆容易发生疲劳损坏,进而影响车辆动力性、操纵稳定性和制动性。关于推力杆虽已引起重视,但研究还不够深入。为了解决推力杆过早发生疲劳破坏问题,设计性能良好、使用寿命更长的推力杆,使相关企业加速形成自主研发能力,解决产业化过程中的关键技术,已成为技术人员面临的重要课题。本文主要围绕商用车推力杆的性能影响因素、优化设计和疲劳寿命预测方法展开研究。采用整车动力学仿真、推力杆载荷理论力学推导、有限元分析、模态分析和试验相结合的方法,分析了推力杆的静态和动态特性。基于疲劳累积损伤及连续损伤力学理论,以橡胶等效应力为损伤参量,建立推力杆寿命预测模型,结合疲劳试验,预测了推力杆的疲劳寿命。利用线性回归分析与有限元仿真,分析了推力杆性能的影响因素。采用ABAQUS软件参数化语言,建立参数化模型,以提高疲劳寿命为目标,对推力杆进行了优化设计。主要研究内容包括以下五个部分:第一部分阐明了商用车推力杆的研究意义,推力杆的发展与应用概况、种类及其工作性能特点;归纳总结了推力杆静动态特性、优化设计及疲劳寿命研究现状,球铰橡胶疲劳寿命研究方法;明确了本文的主要研究内容。第二部分建立整车动力学模型和推力杆有限元模型,分析了推力杆静态和动态特性。推力杆多轴载荷的仿真分析不仅与整车动力学建模紧密相关,而且与车辆仿真的路面模型有较大关联,联合利用ADAMS与Matlab软件建立了整车在砂石路面的运动模型。通过动力学仿真,结合推力杆载荷理论推导计算及道路载荷测试分析,获得了推力杆在各典型行驶工况下的动态载荷及其极限值,得到了各个推力杆的运动特性。分别建立I杆和V杆的有限元模型。建立推力杆的三维几何模型,利用Hypermesh软件进行网格划分,根据项目合作方提供的橡胶材料实验数据,利用ABAQUS软件拟合橡胶的本构模型。根据推力杆总成承载性能要求,对其承载特性及模态特性进行分析,并与刚度、强度及模态试验数据对比,吻合较好,验证了有限元模型的正确性。获得了推力杆球铰橡胶的应力、应变分布、变形情况及其固有频率和振型。第三部分分析了球铰橡胶损伤机理及推力杆的疲劳损坏形式,推力杆的疲劳失效关键在于球铰橡胶层的损伤破坏。为了较全面反映疲劳过程中的损伤累积,基于连续损伤力学理论,以橡胶的等效应力作为损伤参量,建立寿命预测模型,提出了推力杆的疲劳寿命预测方法。由于推力杆承受十几吨的载荷,因此,一旦裂纹在球铰橡胶层中萌生就会迅速扩展。在循环载荷作用下橡胶存在应力软化现象及永久变形,其疲劳裂纹主要取决于最大主应力,当达到或超过最大主应力橡胶分子链会断裂而产生裂纹,宏观上表现为元件性能变差,如刚度衰减,当疲劳裂纹扩展至一定尺寸后,导致最终失效。为了获得等效应力及疲劳裂纹产生位置,利用有限元法对推力杆纵向加载典型工况进行仿真,再结合橡胶材料哑铃试件试验数据,验证应力计算结果,进行疲劳寿命预测。同时利用最大对数主应变建立经验性寿命模型,将两种方法的预测值与推力杆台架疲劳试验结果进行对比,结果表明,等效应力寿命模型比最大对数主应变模型预测结果精度高。说明了预测方法的有效性和等效应力作为橡胶疲劳损伤参量选择的合理性。第四部分建立了橡胶、塑料结构参数与推力杆刚度之间的数量关系式,从球铰结构角度进行了推力杆刚度、强度及寿命的影响因素分析。在整车安装位置及橡胶配方已确定情况下,主要从球铰结构角度分析了结构参数对推力杆性能的影响。分析了橡胶纵向、轴向预压量对于推力杆刚度特性的影响,结果表明,随着纵向、轴向预压量的增大,轴向刚度增加不明显,而纵向刚度增加明显。分析了球铰结构形状及其参数对推力杆刚度、强度及疲劳性能的影响,其中塑料层对球铰的强度与刚度影响显著,去掉塑料层刚度降低,橡胶体变形大、应力与应变增大,不利于推力杆疲劳寿命的提高。增加塑料层的宽度或加凸起推力杆的刚度增大,橡胶体应力与应变减小,有利于推力杆疲劳寿命的提高。进行了V杆球铰主要结构的多元回归分析,建立了结构参数与刚度之间的数量关系式,通过量化关系能够直观了解对其刚度特性的影响,为推力杆刚度的调整及匹配提供了指导。第五部分为了提高推力杆的承载性能及疲劳寿命,在结构参数分析的基础上,分别以刚度匹配最优和橡胶最大主应力最小为优化目标,对推力杆进行性能优化,根据最优结果试制了样件,并开展了试验验证。建立了参数化模型,并经有限元分析,得到优化后的推力杆刚度及球铰橡胶应力、应变分布。分析表明,刚度匹配最优优化效果更好,根据该优化结果制作了试件,并进行了台架试验与装车道路试验,台架疲劳试验寿命达到70万次以上,道路试验7万多公里无损坏,推力杆的疲劳寿命有显著提高。论文从整车角度对某重型商用车推力杆静动态载荷及运动特性进行了分析,明确其刚度、强度及寿命的影响因素,提出了其疲劳寿命预测方法及性能优化方法。完善了推力杆的理论分析计算,形成了比较完整的正向设计理论、方法和流程,所得研究成果具有较强的工程应用价值,对于相关领域疲劳寿命研究具有一定的借鉴意义。
【关键词】：商用车 推力杆 性能优化 疲劳寿命预测
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U463.33
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 绪论16-30
• 1.1 商用车推力杆研究意义16-17
• 1.2 推力杆发展概况17-21
• 1.2.1 推力杆发展与应用17-18
• 1.2.2 推力杆分类及特点18-21
• 1.3 国内外研究现状21-28
• 1.3.1 推力杆静动态特性研究现状21-23
• 1.3.2 推力杆优化设计研究现状23-24
• 1.3.3 推力杆球铰橡胶疲劳寿命研究现状24-28
• 1.4 本文主要研究内容28-30
• 第2章 推力杆静动态特性分析30-82
• 2.1 推力杆载荷分析30-56
• 2.1.1 多体动力学建模30-40
• 2.1.2 推力杆载荷仿真40-44
• 2.1.3 推力杆载荷理论计算44-51
• 2.1.4 理论计算结果分析51-53
• 2.1.5 推力杆道路载荷测试53-55
• 2.1.6 推力杆载荷理论推导仿真与试验结果分析55-56
• 2.2 推力杆运动特性分析56-64
• 2.2.1 路面激励的模拟56-57
• 2.2.2 各工况运动仿真及结果分析57-63
• 2.2.3 推力杆球铰运动分析63-64
• 2.3 推力杆有限元建模64-70
• 2.3.1 推力杆结构与工作特性64-66
• 2.3.2 橡胶材料本构模型66-69
• 2.3.3 推力杆有限元建模69-70
• 2.4 推力杆承载特性分析70-76
• 2.4.1 球铰过盈装配过程模拟70-72
• 2.4.2 强度分析72-73
• 2.4.3 静刚度分析73-75
• 2.4.4 刚度与强度试验验证75-76
• 2.5 推力杆模态分析76-80
• 2.5.1 模态试验77-78
• 2.5.2 模态仿真与试验结果分析78-80
• 2.6 本章小结80-82
• 第3章 推力杆疲劳寿命预测82-104
• 3.1 推力杆失效形式分析82-83
• 3.2 推力杆疲劳破坏机理分析83-86
• 3.2.1 裂尖内聚应力83-85
• 3.2.2 橡胶应力软化及永久变形85-86
• 3.3 橡胶疲劳累积损伤86-88
• 3.3.1 线性疲劳累积损伤准则86-87
• 3.3.2 刚度衰减与疲劳损伤87-88
• 3.4 基于连续损伤力学的疲劳寿命预测88-91
• 3.4.1 连续损伤力学分析流程88-89
• 3.4.2 裂纹萌生疲劳损伤分析89-91
• 3.5 疲劳寿命预测模型91-95
• 3.5.1 等效应力寿命模型91-95
• 3.5.2 最大对数主应变模型95
• 3.6 推力杆有限元分析95-97
• 3.7 推力杆疲劳寿命预测及验证97-102
• 3.7.1 疲劳寿命预测97-100
• 3.7.2 疲劳寿命验证100-101
• 3.7.3 疲劳寿命预测与试验结果分析101-102
• 3.8 本章小结102-104
• 第4章 推力杆性能影响因素分析104-120
• 4.1 球铰橡胶预压缩分析104-106
• 4.2 球铰结构对强度的影响分析106-110
• 4.2.1 球铰全橡胶结构107
• 4.2.2 球铰橡胶与塑料结构形状107-109
• 4.2.3 球铰其它结构参数109-110
• 4.3 球铰结构对刚度的影响分析110-113
• 4.3.1 球铰外围零件直径111
• 4.3.2 球铰塑料层宽度111
• 4.3.3 球铰结构与刚度之间的关系111-113
• 4.4 球铰主要结构对推力杆刚度回归分析113-115
• 4.4.1 橡胶预压量与纵向刚度回归分析113-114
• 4.4.2 橡胶塑料与纵向刚度回归分析114-115
• 4.4.3 橡胶塑料与轴向刚度回归分析115
• 4.5 球铰结构对推力杆性能灵敏度分析115-116
• 4.6 稳定性分析116-119
• 4.7 本章小结119-120
• 第5章 推力杆性能优化设计研究120-144
• 5.1 推力杆的材料与工艺改进120-130
• 5.1.1 芯轴材料与工艺改进设计120-126
• 5.1.2 球铰塑料层改进设计126-128
• 5.1.3 球铰端盖改进设计128
• 5.1.4 大端外套改进设计128-130
• 5.2 推力杆设计理论130-135
• 5.2.1 推力杆设计方法130-132
• 5.2.2 推力杆优化设计流程132-135
• 5.3 推力杆性能优化设计135-139
• 5.3.1 设计变量及约束条件135-136
• 5.3.2 目标函数136-137
• 5.3.3 优化结果及分析137-139
• 5.4 推力杆台架试验验证139-143
• 5.4.1 样件试制139-141
• 5.4.2 台架试验141-142
• 5.4.3 台架试验结果及分析142-143
• 5.5 整车试验143
• 5.6 本章小结143-144
• 第6章 总结与展望144-148
• 6.1 全文总结144-146
• 6.2 论文创新点146-147
• 6.3 论文展望147-148
• 参考文献148-156
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加的科研项目156-157
• 致谢157

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