双横臂悬架转向节优化设计及疲劳寿命研究

论文摘要

转向节是汽车上的重要零件,从功能上讲,转向节即是前桥(转向桥)转向的主要零件,又是前悬架与轮毂、车架(承载式车身)连接的关键零件,同时又是转向系传动机构的重要零件。转向节若在汽车行驶过程中发生断裂将会引发比较严重的事故。因此,对转向节的强度和耐久性的研究具有重要意义。本文首先对双横臂悬架的动力学仿真、结构有限元分析及优化设计和疲劳寿命的发展、现状和方法进行了阐述。并且在分别对转向节进行了结构强度分析和模态分析之后，利用拓扑优化技术对转向节进行优化设计，最后利用Fatigue软件结合名义应力有限寿命设计方法对转向节进行了疲劳寿命预测。本文的主要工作内容如下：（1）双横臂悬架动力学模型仿真。根据双横臂前悬架的几何模型和硬点参数建立悬架的动力学模型。然后根据企业的设计标准，计算了在1g紧急制动工况、3.5g车轮越过不平路面工况和0.95g最小半径转向且不侧滑工况三种工况下的轮胎接地力。并且将此力用作动力学模型的输入，计算得到转向节与上控制臂、下控制臂、转向节臂和拉杆和车轮连接点得载荷。（2）转向节有限元分析。根据转向节的几何模型建立了转向节的有限元模型，并且详细介绍了建立有限元模型的方法和步骤，然后对转向节做了模态分析和三种工况下的强度分析。得出结论，认为转向节不会在汽车行驶过程中发生共振现象，并且受到的应力要小于许用应力。（3）转向节的优化设计。对转向节优化设计的主要目标是在转向节的应力小于许用应力的前提下使转向节尽可能轻量化。对转向节优化时，先利用拓扑优化技术，得到了可设计区域材料的组优化布局等值面图，并且根据对该结构进行详细的设计得到优化后的结构。最后对优化后的转向节进行了静强度和固有频率计算，满足要求。（4）转向节的疲劳寿命预测。运用Fatigue软件，结合名义应力有限寿命设计方法对转向节进行了疲劳寿命计算，得出在三种工况下转向节的最小节点疲劳寿命分别为265.4万次；越过不平整路面工况下的最小寿命为1630万次；在最小转弯半径且不侧滑工况下，转向节的最小节点寿命为3340万次。最后结合修正线性累积理论，对转向节的寿命进行了预测，得出转向节的寿命为33.9年。通过上述的工作完成了对转向节的优化设计和疲劳寿命研究，为其他设计人员进行相关设计提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的来源、背景和意义
• 1.1.1 选题的背景和意义
• 1.1.2 选题的来源
• 1.2 文件综述
• 1.2.1 悬架动力学分析研究现状及综述
• 1.2.2 结构优化设计的研究现状及综述
• 1.2.3 疲劳寿命的研究现状及综述
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第二章 双横臂前悬架的动力学仿真
• 2.1 动力学理论及 ADAMS/Car 模块
• 2.1.1 多体系统动力学的发展
• 2.1.2 多体系统动力学的现状
• 2.1.3 计算多体系统动力学建模与求解
• 2.1.4 ADAMS/Car 模块
• 2.2 双横臂前悬架动力学模型建立
• 2.2.1 双横臂前悬架几何模型
• 2.2.2 硬点参数
• 2.2.3 部件的连接
• 2.2.4 轮胎模型
• 2.2.5 双横臂悬架动力学模型
• 2.3 双横臂前悬架动力学模型验证
• 2.3.1 主销后倾角验证
• 2.3.2 主销内倾角验证
• 2.3.3 车轮外倾角验证
• 2.3.4 前轮前束角验证
• 2.4 典型极限工况及轮胎接地力计算
• 2.4.1 极限工况的选取
• 2.4.2 轮胎接地力计算
• 2.5 双横臂悬架动力学仿真及其结果
• 2.6 本章小结
• 第三章 转向节有限元分析
• 3.1 有限单元法
• 3.1.1 有限元方法的历史
• 3.1.2 结构有限元方法的理论基础
• 3.1.3 结构有限元方法分析的步骤
• 3.2 转向节有限元模型的建立
• 3.2.1 转向节的几何模型
• 3.2.2 模型几何清理
• 3.2.3 网格的划分
• 3.2.4 材料特性
• 3.2.5 约束和载荷
• 3.3 各典型危险工况下转向节有限元分析
• 3.3.1 紧急制动工况
• 3.3.2 越过不平整路面工况
• 3.3.3 最小转弯半径且不侧滑工况
• 3.4 转向节模态分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 转向节的结构优化设计
• 4.1 结构优化方法
• 4.1.1 OptiStruct 结构优化方法
• 4.1.2 优化设计的数学基础
• 4.1.3 OptiStruct 结构优化设计流程
• 4.2 转向节的拓扑优化
• 4.2.1 拓扑优化概述
• 4.2.2 转向节拓扑优化区域定义
• 4.2.3 设计变量和响应的设置
• 4.2.4 优化目标函数和约束条件
• 4.2.5 优化的结果
• 4.2.6 转向节的详细设计
• 4.3 优化后转向节的有限元分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 转向节疲劳寿命研究
• 5.1 疲劳的基本概念
• 5.1.1 疲劳的定义
• 5.1.2 疲劳分析的意义
• 5.1.3 疲劳的研究现状
• 5.2 疲劳分析方法
• 5.2.1 现行的疲劳设计方法
• 5.2.2 疲劳分析的基本步骤
• 5.3 转向节在三种极限工况下地疲劳寿命分析
• 5.3.1 载荷时间历程
• 5.3.2 转向节材料特性
• 5.3.3 影响零件疲劳强度的因素确定
• 5.4 各工况下转向节疲劳预测结果
• 5.4.1 紧急制动工况仿真结果
• 5.4.2 越过不平整工况仿真分析结果
• 5.4.3 最小转弯半径且不侧滑工况仿真分析结果
• 5.5 转向节疲劳寿命预测
• 5.5.1 线性累积损伤理论
• 5.5.2 修正线性累积损伤理论
• 5.5.3 转向节疲劳寿命预测
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢