基于SMA复合材料板簧的半主动悬架研究

论文摘要

常规板簧不能随车轮和车身垂向位移、垂向加速度这些状态量的变化而主动改变刚度,也不能随路面信息不规则变化而主动改变刚度,这显然不符合先进悬架对弹性元件的苛刻要求。提出了一款刚度既能随车载负荷,又能随车身状态(车身和车轮垂向位移、垂向加速度),同时可根据路况信息不规则变化而调节刚度的SMA板簧。形状记忆合金(SMA)作为性能优良的驱动器埋入复合材料板簧内部,加以约束,调节温度可改变板簧刚度,针对目前对SMA复合材料板簧刚度特性尚缺乏深入的研究的现状,根据经典力学、复合材料力学、复合材料结构和SMA力学理论,建立了SMA板簧的力学模型,在MATLAB环境下编程计算,结果揭示了温度变化、SMA含量、铺层方式对板簧刚度的影响规律。为了验证SMA板簧力学模型以及计算结果的正确性,在通用有限元分析软件ANSYS环境下建立了SMA板簧实体模型,进行结构静力学分析,计算板簧在三个温度点下的刚度值。经比较,ANSYS环境下得到的板簧刚度值与板簧力学模型所推导刚度公式计算的结果基本一致。传统被动悬架系统结构简单,但只是优化折衷;主动悬架系统舒适性和稳定性好,但结构复杂、能耗大、成本高,经济性差;半主动悬架系统结构相对简单、可靠性高、耗能少,性能趋于主动悬架。因此,半主动悬架系统技术受到了国内外学者和汽车开发商的重视。基于空气弹簧的半主动悬架系统,因结构复杂、维修麻烦以及尺寸大,造成布置困难,目前多数在大型车上采用。所以,开发一款舒适性、稳定性、平顺性以及经济性的悬架尤为必要。基于时代的强烈要求,提出了一款基于SMA板簧的半主动悬架系统。基于经典隔振理论,建立了1/4车辆被动悬架以及基于SMA板簧的半主动悬架力学模型;进而在SIMULINK环境下建立了1/4车辆被动悬架仿真模块,利用状态最优控制理论,建立了基于SMA板簧的半主动悬架仿真模块。以汽车悬架三个重要性能指标为基准对比两种悬架,仿真结果显示,基于SMA板簧的半主动悬架性能要优于被动悬架。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 研究内容
• 2 智能复合材料相关理论及相关参数计算
• 2.1 智能材料概述
• 2.2 NiTi形状记忆合金力学特性及本构关系
• 2.3 复合材料的宏观力学分析
• 2.4 本章小结
• 3 SMA板簧力学模型及刚度特性分析
• 3.1 等截面板簧模型及刚度特性分析
• 3.2 变截面板簧刚度建模及刚度特性分析
• 3.3 本章小结
• 4 SMA复合材料板簧有限元分析
• 4.1 有限元及分析软件的概况
• 4.2 SMA复合材料板簧有限元分析步骤
• 4.3 计算结果及分析
• 4.4 本章小结
• 5 基于SMA板簧的半主动悬架建模及仿真
• 5.1 1/4车体悬架物理模型
• 5.2 1/4车体悬架仿真模型
• 5.3 计算机仿真结果及分析
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 研究展望
• 致谢辞
• 攻读学位期间发表论文情况
• 主要参考文献