多连杆悬架控制臂优化设计及疲劳寿命研究

论文摘要

本文在介绍悬架动力学建模仿真、结构优化设计、疲劳寿命的研究现状后，首先根据企业实际多连杆悬架数学模型建立多连杆悬架的动力学模型，选取典型极限工况对整个悬架模型进行仿真，提取出控制臂的载荷；然后建立控制臂有限元模型，对其进行结构强度分析和模态分析；接着结合控制臂的工艺性，提出尺寸优化设计方案，并对优化后的控制臂进行结构强度和模态的再验证；最后对优化后的控制臂应用名义应力有限寿命设计方法进行疲劳寿命估算和疲劳强度校核。本文所做的研究工作主要有以下四个方面：（1）多连杆悬架动力学仿真。以实际多连杆悬架的数学模型为基础建立多连杆悬架的动力学模型，提出了模型简化原则，详细叙述悬架中柔性连接的建模要点，通过整车参数计算轮胎接地力，并以此作为激励对整个悬架进行动力学仿真，提取控制臂各节点的载荷，对这些载荷进行力及力矩平衡验证。（2）控制臂有限元分析。以实际控制臂的数学模型建立控制臂的有限元模型，详细描述了有限元模型的建立过程，包括几何清理、网格划分、网格质量控制、焊点简化等，并应用惯性释放的计算方法求解，得到控制臂刚度、强度、固有频率等数据，为优化设计后的控制臂性能验证提供参考依据。（3）控制臂结构优化设计。着重分析控制臂采用尺寸优化方法的原因，具体说明了定义尺寸优化问题的步骤和注意事项，完成了控制臂的尺寸优化设计，并验证优化后控制臂刚度、强度、固有频率等性能。（4）控制臂的疲劳寿命估算和疲劳强度校核。结合研究对象，在企业整车十二工况的基础上简化得到车辆六工况，并以此作为疲劳寿命研究的基本工况。应用名义应力有限寿命设计方法对控制臂的疲劳寿命进行估算，对其疲劳强度进行校核，并对结果进行了详细分析，着重讨论了工况选取的合适性。通过上述的研究工作完成了控制臂的优化设计和疲劳寿命研究，为今后悬架控制臂的优化设计提供参考，也为机械产品中重要零构件的疲劳寿命研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、意义和来源
• 1.1.1 课题的研究背景和意义
• 1.1.2 课题来源
• 1.2 悬架动力学建模的国内外研究现状
• 1.3 结构优化设计的国内外研究现状
• 1.4 疲劳寿命的国内外研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 多连杆悬架动力学建模与仿真及控制臂载荷提取
• 2.1 多体系统动力学基本理论
• 2.1.1 多体系统建模理论
• 2.1.2 多体系统动力学数值求解
• 2.1.3 计算多体系统动力学建模与求解
• 2.2 多连杆悬架系统模型建立
• 2.2.1 模型简化原则
• 2.2.2 多连杆悬架系统几何模型
• 2.2.3 螺旋弹簧与减振器
• 2.2.4 轮胎与路面
• 2.2.5 橡胶衬套
• 2.2.6 多连杆悬架系统物理模型
• 2.3 典型极限工况及轮胎接地力计算
• 2.3.1 极限工况的选取
• 2.3.2 轮胎接地力计算
• 2.4 典型极限工况下多连杆悬架系统动力学仿真
• 2.5 控制臂载荷提取及力与力矩平衡验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 控制臂有限元分析
• 3.1 结构有限元分析概述
• 3.1.1 结构有限元分析内容
• 3.1.2 结构有限元分析基本原理
• 3.1.3 结构有限元分析过程
• 3.2 控制臂有限元模型建立
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 模型处理
• 3.2.3 网格划分及网格质量控制
• 3.2.4 材料属性定义
• 3.2.5 惯性释放及模型的约束与加载
• 3.3 典型极限工况控制臂结构有限元分析
• 3.3.1 0.5g 加速工况
• 3.3.2 0.95g 转向工况
• 3.3.3 3.5g 上跳工况
• 3.4 控制臂模态分析
• 3.4.1 模态分析基本原理与提取方法
• 3.4.2 控制臂模态分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 控制臂优化设计
• 4.1 结构优化设计方法简介
• 4.1.1 结构优化方法概述
• 4.1.2 优化设计数学基础
• 4.1.3 优化设计流程
• 4.2 控制臂尺寸优化设计
• 4.2.1 尺寸优化概述
• 4.2.2 控制臂尺寸优化定义
• 4.2.3 控制臂尺寸优化结果
• 4.3 控制臂尺寸优化方案的有限元分析
• 4.3.1 典型极限工况控制臂结构有限元分析
• 4.3.2 控制臂模态分析
• 4.4 优化前后控制臂性能分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 控制臂疲劳寿命研究
• 5.1 疲劳寿命概述
• 5.1.1 疲劳及其相关基本概念
• 5.1.2 疲劳的分类
• 5.1.3 疲劳破坏的特征
• 5.1.4 疲劳设计方法
• 5.2 车辆常用六工况控制臂应力水平计算
• 5.2.1 车辆常用六工况选取
• 5.2.2 车辆常用六工况控制臂应力水平计算
• 5.3 基于名义应力有限寿命设计方法的控制臂疲劳寿命估算及疲劳强度校核
• 5.3.1 名义应力有限寿命设计方法概述
• 5.3.2 疲劳线性累积损伤理论
• 5.3.3 基于名义应力有限寿命设计方法的控制臂疲劳寿命估算及疲劳强度校核
• 5.4 控制臂疲劳寿命估算和疲劳强度校核结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢