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基于虚拟样机技术的轻型载货汽车车架疲劳寿命预测方法研究

作　者: 肖志金
导　师: 朱思洪
学　校: 南京农业大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 有限元方法多体动力学疲劳寿命汽车车架
分类号: U461
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

车架作为整个汽车的安装基体,承受车内外的各种随机载荷,必须保证足够的疲劳强度。由于其结构复杂,传统的现场结构疲劳试验费用昂贵。而在虚拟环境中对车架结构进行疲劳寿命仿真研究,可以大大缩短产品开发周期,降低开发费用和提高设计质量。所以基于虚拟样机技术的车架疲劳寿命预测成为当前轻型载货车结构设计研究的一个重点与发展趋势之一。本文以南京汽车集团公司生产的NJ1042MDB3型双轴轻型载货汽车为研究对象,将动力学分析、有限元计算和疲劳分析等进行有机的结合,在虚拟环境中预测车架结构的疲劳寿命,为车架的轻量化设计提供理论依据。具体内容包括：(1)利用三维建模软件PROE对车体进行三维实体建模。其中驾驶室、货箱、发动机、动力总成及其它附件均根据汽车实际技术参数简化为质量块；车架的三维实体模型根据厂商提供的二维CAD图纸绘制,并同时完成了车架实体的取中面模型。(2)在ADAMS中建立了车体结构的多体动力学模型,并根据中国路况按一定比例合成仿真路面谱来作为输入,计算了车架在运行过程中受到随机载荷的11个载荷时间历程。(3)以有限元技术为基础,利用ANSYS软件建立了车体的有限元模型。对其进行了准静态应力分析,获得了各工况下车架的应力影响因子。整体来看,应力值大部分都处于较低水平,较低应力区向较高应力区的过渡也比较平稳；位移值也没有出现突变情况。说明了该车架结构比较合理。(4)对车架进行了模态分析。得到车架一、二阶弯曲模态频率分别为13.87 HZ,19.53 HZ,第一阶扭转模态频率为20.5 HZ,皆高于车轮不平衡引起的激振频率,也低于发动机怠速频率,避免了整体共振；车架前十阶固有频率都远离了汽车簧载质量和非簧载质量固有频率所在频率段,车架与车轮、车身产生共振的可能性很小,表明车架动态特性比较合理。(5)根据车架材料的S-N曲线和车架本身的特点拟合出了车架结构的S-N曲线。利用MSC-FATIGUE软件基于准静态应力法的疲劳寿命分析技术预测了车架结构的疲劳寿命。研究结果表明,该轻型载货车车架的设计满足疲劳寿命要求,比较危险的区域位于纵梁与后悬的后支架铆接处,其它位置几乎为无限寿命,可以根据此疲劳寿命模型对车架进行轻量化设计。通过本文的研究,为轻型载货汽车车架在虚拟环境中的疲劳寿命预测提供了一种较为可靠的方法。利用这种集成的计算方法,可以在汽车车架设计初期就较为准确的预测其疲劳寿命,为车架结构的再优化设计提供理论依据。

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-11
第一章绪论  11-15
  1.1 课题研究背景及意义  11-12
    1.1.1 课题研究背景  11-12
    1.1.2 课题研究意义  12
  1.2 国内外研究现状  12-14
  1.3 本文的主要工作  14-15
第二章疲劳分析基本理论  15-22
  2.1 引言  15
  2.2 名义应力法  15-18
    2.2.1 材料的S-N和P-S-N曲线  16-18
    2.2.2 平均应力修正  18
  2.3 疲劳累计损伤理论  18-19
  2.4 雨流计数法  19-20
  2.5 动应力分析  20-22
第三章车架多体动力学建模与仿真  22-37
  3.1 多体动力学概述  22-26
    3.1.1 引言  22
    3.1.2 ADAMS软件简介  22-23
    3.1.3 多刚体动力学方程  23-26
      3.1.3.1 ADAMS多刚体系统组成  23-24
      3.1.3.2 ADAMS多刚体的坐标系统  24
      3.1.3.3 机械系统的自由度  24-25
      3.1.3.4 ADMAS多刚体动力学方程  25-26
  3.2 整车多体动力学建模  26-31
    3.2.1 整车结构及主要技术参数  26-27
    3.2.2 三维实体模型的建立及简化处理  27-28
    3.2.3 钢板弹簧及轮胎的模拟  28-29
    3.2.4 整车多体动力学模型  29-31
  3.3 仿真工况的建立  31-33
    3.3.1 直线行驶工况  31-32
    3.3.2 加减速工况  32-33
    3.3.3 转弯工况  33
  3.4 多体动力学仿真结果及分析  33-36
  3.5 本章小结  36-37
第四章车架有限元建模与分析  37-49
  4.1 有限元方法概述  37-39
    4.1.1 有限元方法的基本思想  37-38
    4.1.2 ANSYS软件介绍  38-39
  4.2 车架的有限元建模  39-42
    4.2.1 建立三维实体模型并适当简化  39-40
    4.2.2 定义单元属性  40-41
    4.2.3 设置材料属性  41
    4.2.4 网格划分  41-42
  4.3 车架准静态应力工况选择及计算结果分析  42-48
  4.4 本章小结  48-49
第五章车架的模态分析  49-55
  5.1 引言  49
  5.2 模态分析理论基础  49-50
  5.3 车架有限元模态分析  50-54
    5.3.1 模态求解方法  50
    5.3.2 模态求解结果  50-53
    5.3.3 模态计算结果分析  53-54
  5.4 本章小结  54-55
第六章车架的疲劳寿命预测  55-62
  6.1 引言  55
  6.2 MSC.FATIGUE软件简介  55-56
  6.3 利用MSC.FATIGUE预测车架疲劳寿命  56-61
    6.3.1 输入有限元分析结果  56-57
    6.3.2 输入载荷时间历程  57-59
    6.3.3 输入车架结构S-N曲线  59-60
    6.3.4 车架寿命预测结果及评价  60-61
  6.4 本章小结  61-62
第七章结论与展望  62-64
  7.1 结论  62-63
  7.2 展望  63-64
参考文献  64-67
致谢  67-69
硕士研究生期间发表的论文  69

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