轿车手制动臂总成轻量化设计及非线性分析

论文摘要

本文首先论述了课题研究的目的和意义,分析了国内外汽车轻量化以及非线性问题研究的发展概况。在此基础上,对常用的轻量化研究的理论及方法进行了讨论,同时也对非线性问题的研究理论及方法进行了探讨,之后着重研究了非线性方程组的常用求解方法以及各自的优势。有关手制动臂总成的结构方面,重点对总成下的各零部件及其之间的力学特点做了阐述,详细叙述了手制动臂总成的规范设计要求,其具体要求主要体现在八个不同的计算工况。依据对轻量化和非线性理论及方法的研究,在分析了总成及总成部件力学特征的基础上,最终确定了手制动臂总成轻量化研究的总体方案。该方案以总成为研究对象,以线性优化理论和非线性计算分析理论为基础,对手制动臂总成进行轻量化设计研究。非线性有限元模型的建模过程较复杂,而且计算非常耗时、耗资源,所以既要保证模型的计算精度,又要在现有计算资源条件下保时保量顺利完成计算任务。因此,对模型的简化、单元的选择、接触及接触方式的设置、材料模型的选取和加载工况的确定进行了研究,为典型手制动臂总成非线性有限元模型的建立提供了重要参考。根据企业提供的规范要求中的八个计算工况对手制动臂总成进行了非线性分析,得到了总成的应力分布和变形情况。综合考虑各部件的强度余量、结构特点以及轻量化价值,选择进行改进设计的最佳部件,并对其轻量化方法及手段进行研究。最终,确定了使用拓扑优化方法、利用现代有限元优化设计软件对总成支座进行优化设计。优化模型的合适与否直接关系着优化结果的质量,所以重点对模型的简化、优化区域的选取对计算结果的影响、加载工况的确定以及优化参数的设置进行了讨论,最终的拓扑优化模型以结构的柔度最小即刚度最大作为目标函数,以优化后剩余材料的体积作为约束。其中,由于优化区域选择的不同得到了两个不同的优化结果,综合优化效果、可制造性以及加工制造工艺等方面因素,对优化结果的最终选取进行了分析,并对最终结果进行了可制造化处理。重新建立改进后的手制动臂总成非线性有限元分析模型,再次进行分析计算,得到总成的应力分布和变形情况,重点关注总成支座的应力和变形情况是否符合规范要求。最后,在总成结构强度和刚度不降低的情况下,优化后支座比原支座重量减少了40.6%,取得了较好的轻量化效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出
• 1.2 课题的目的和意义
• 1.3 国内外汽车零部件轻量化研究概况
• 1.4 国内外固体力学非线性问题研究概况
• 1.5 研究内容
• 第二章 手制动臂总成轻量化与非线性分析的方法研究
• 2.1 手制动臂总成轻量化研究基本方法
• 2.1.1 形貌优化设计
• 2.1.2 尺寸优化设计
• 2.1.3 拓扑优化设计
• 2.2 手制动臂总成非线性研究基本方法
• 2.2.1 材料非线性问题
• 2.2.2 接触非线性问题
• 2.2.3 几何非线性问题
• 2.3 非线性方程组的求解方法
• 2.3.1 直接迭代法
• 2.3.2 牛顿法和修正的牛顿法
• 2.3.3 载荷增量法
• 第三章 手制动臂总成轻量化问题研究及解决方案
• 3.1 手制动臂总成产品的结构特征
• 3.2 手制动臂总成设计规范要求
• 3.2.1 纵向工况的质量要求
• 3.2.2 侧向工况的质量要求
• 3.3 手制动臂总成的力学特征
• 3.3.1 材料非线性特征
• 3.3.2 接触非线性特征
• 3.3.3 几何非线性特征
• 3.3.4 非保守性特征
• 3.4 总体研究方案的确定
• 第四章 手制动臂总成非线性有限元计算
• 4.1 模型简化及几何模型的建立
• 4.2 单元类型的确定及网格划分
• 4.3 材料模型的确定
• 4.4 载荷步的设置
• 4.5 计算结果分析
• 第五章 手制动臂总成支座优化设计
• 5.1 优化方法的选择
• 5.2 优化设计方案的研究
• 5.2.1 优化方案一的建模研究及结果分析
• 5.2.2 优化方案二的建模研究及结果分析
• 5.3 可制造方案的确定及可制造化处理
• 5.3.1 支座拓扑构形的确定
• 5.3.2 支座三维模型的重构
• 第六章 轻量化方案非线性验证分析
• 6.1 外力拉伸一工况计算分析
• 6.2 外力拉伸二工况计算分析
• 6.3 高位挡块拉伸工况计算分析
• 6.4 低位挡块拉伸工况计算分析
• 6.5 齿板外力压缩工况计算分析
• 6.6 操纵杆变形工况计算分析
• 6.7 侧向Y+工况计算分析
• 6.8 侧向Y-工况计算分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 研究生期间发表论文
• 致谢