LPG罐车可靠性设计与轻量化设计研究

论文摘要

本文论述了国内外汽车可靠性和轻量化研究的现状,分析了国内外可靠性设计研究和轻量化的研究理论、研究方法及取得的研究成果,并结合实际课题阐述了LPG罐车可靠性设计及轻量化设计研究的意义,提出了论文研究的具体内容及研究目标。首先介绍了课题研究涉及的主要理论,包括疲劳可靠性、轻量化和流固耦合理论。结合企业的实际要求,提出了对罐车进行可靠性分析及轻量化设计研究的总体研究方案。接着在详细分析罐车的结构特点后,建立了罐车整车有限元计算模型,计算后得到罐车的强度和刚度。结合企业要求和计算结果,分别用高强度钢强度等代设计和结构尺寸优化的方法对罐体和车架进行轻量化设计,并对轻量化后的罐车进行强度和刚度校核。轻量化后得到了满足设计要求的罐车新结构,与原结构相比罐体部分减重约33.3%,车架部分减重约8.70%，取得了较好的轻量化成果。然后根据企业需要,对进行强度等代设计用高强度钢焊接试件进行了疲劳试验,获得了试件的S-N曲线和疲劳极限。而后计算了罐体原结构的疲劳寿命,并利用试验数据对罐车新结构进行了疲劳可靠性计算分析,获得了罐体新结构的疲劳寿命和疲劳可靠度指标,疲劳分析结果表明,罐体新结构满足可靠性设计要求。最后进行了基于流固耦合的防波板设计研究,对防波板原结构进行流固耦合计算分析,获得了防波板最大应力和最大变形量随时间变化的曲线,并得到了罐体内介质的晃动情况。针对防波板原结构存在的不足,提出了改进方案,验算后表明改进方案是成功的。本文的研究成果不仅解决了企业对典型LPG进行轻量化设计的问题,更重要的是可以为相关罐车生产企业进行罐车的可靠性设计和轻量化设计研究提供切实可行的研究方案和设计分析数据,具有良好的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 国外研究概况
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 研究的目的和意义
• 1.4 研究内容
• 第2章 相关理论分析
• 2.1 疲劳可靠性理论
• 2.1.1 疲劳概述
• 2.1.2 S-N曲线的意义及其表达式
• 2.1.3 疲劳极限及其测定方法
• 2.1.4 影响疲劳强度的主要因素
• 2.1.5 疲劳寿命预测方法
• 2.1.6 疲劳可靠度计算理论
• 2.2 轻量化方法及理论
• 2.2.1 汽车轻量化途径
• 2.2.2 结构尺寸优化理论
• 2.2.3 高强度钢强度等代基本原理
• 2.4 流固耦合基本理论
• 2.4.1 流体控制方程
• 2.4.2 固体控制方程
• 2.4.3 流固耦合方程
• 第3章 LPG罐车结构特点分析及总体方案研究
• 3.1 罐车结构特点
• 3.1.1 罐体结构特点
• 3.1.2 行走机构结构特点
• 3.2 总体研究方案的确定
• 3.3 计算平台的选择
• 3.3.1 疲劳计算平台
• 3.3.2 流固耦合计算平台
• 第4章 罐车轻量化设计
• 4.1 罐车有限元模型的建立
• 4.1.1 几何建模方案的确定和结构的简化
• 4.1.2 悬架的模拟
• 4.1.3 罐体和车架装配的处理
• 4.1.4 网格的划分
• 4.1.5 罐车工况及载荷的确定
• 4.1.6 边界条件的处理
• 4.2 罐车有限元计算分析
• 4.2.1 罐体强度刚度计算分析
• 4.2.2 车架强度刚度计算分析
• 4.3 罐体高强度钢强度等代设计
• 4.3.1 强度等代设计中板厚计算公式的推导
• 4.3.2 罐体高强度强度钢等代设计计算
• 4.3.3 罐体强度等代设计有限元分析和强度富余计算
• 4.3.4 罐体强度等代设计壁厚圆整及结果分析
• 4.4 车架结构尺寸优化设计
• 4.4.1 尺寸优化变量的确定
• 4.4.2 优化结果分析及尺寸圆整
• 第5章 罐体高强度钢焊缝疲劳试验研究
• 5.1 疲劳试验方案的制定
• 5.1.1 疲劳试验前准备工作
• 5.1.2 疲劳试验方案的组织
• 5.2 试件的设计和制作
• 5.2.1 试件的设计
• 5.2.2 试件的制作和贮存
• 5.3 疲劳试验
• 5.3.1 静强度拉伸试验
• 5.3.2 疲劳试验过程
• 第6章 罐体可靠性计算分析
• 6.1 罐体原结构疲劳寿命计算分析
• 6.1.1 16MnR焊接试件的S-N曲线
• 6.1.2 罐体疲劳寿命计算工况和载荷谱的确定
• 6.1.3 疲劳寿命计算结果分析
• 6.2 罐体新结构可靠性计算分析
• 6.2.1 试件的S-N曲线
• 6.2.3 罐体新结构疲劳寿命计算分析
• 6.3 罐体新结构疲劳可靠度的计算分析
• 6.3.1 试件疲劳极限的确定
• 6.3.2 罐体新结构的疲劳极限及标准差
• 6.3.3 罐体新结构可靠度计算
• 第7章 基于流固耦合的防波板设计研究
• 7.1 罐体流固耦合有限元模型的建立
• 7.1.1 几何模型的建立
• 7.1.2 网格划分和属性定义
• 7.1.3 载荷的施加及边界条件的处理
• 7.2 结果分析
• 7.2.1 流场结果分析
• 7.2.2 防波板结果分析
• 7.3 防波板改进设计
• 7.3.1 防波板改进设计
• 7.3.2 防波板改进结构流固耦合计算分析
• 7.3.3 防波板改进前后对罐体的影响
• 第8章 总结和展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 研究生期间研究成果
• 致谢