發(fā)布時(shí)間：2017-10-29 12:07

  本文關(guān)鍵詞：商用車推力桿性能優(yōu)化與疲勞壽命預(yù)測(cè)研究

  更多相關(guān)文章： 商用車 推力桿 性能優(yōu)化 疲勞壽命預(yù)測(cè)

【摘要】：目前,隨著商用車的升級(jí)換代,國內(nèi)品牌更加注重自主研發(fā)增加技術(shù)含量,在新的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下取得優(yōu)勢(shì)地位。對(duì)于重型商用車由鋼板彈簧傳遞垂向力,采用推力桿傳遞縱向力、側(cè)向力及其相應(yīng)反作用力矩。起著傳力、導(dǎo)向、限位及減振作用的同時(shí),由于使用環(huán)境惡劣、承載復(fù)雜,而國內(nèi)又缺乏完善的正向設(shè)計(jì)理論和相關(guān)壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù),致使推力桿容易發(fā)生疲勞損壞,進(jìn)而影響車輛動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性和制動(dòng)性。關(guān)于推力桿雖已引起重視,但研究還不夠深入。為了解決推力桿過早發(fā)生疲勞破壞問題,設(shè)計(jì)性能良好、使用壽命更長(zhǎng)的推力桿,使相關(guān)企業(yè)加速形成自主研發(fā)能力,解決產(chǎn)業(yè)化過程中的關(guān)鍵技術(shù),已成為技術(shù)人員面臨的重要課題。本文主要圍繞商用車推力桿的性能影響因素、優(yōu)化設(shè)計(jì)和疲勞壽命預(yù)測(cè)方法展開研究。采用整車動(dòng)力學(xué)仿真、推力桿載荷理論力學(xué)推導(dǎo)、有限元分析、模態(tài)分析和試驗(yàn)相結(jié)合的方法,分析了推力桿的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性�；谄诶鄯e損傷及連續(xù)損傷力學(xué)理論,以橡膠等效應(yīng)力為損傷參量,建立推力桿壽命預(yù)測(cè)模型,結(jié)合疲勞試驗(yàn),預(yù)測(cè)了推力桿的疲勞壽命。利用線性回歸分析與有限元仿真,分析了推力桿性能的影響因素。采用ABAQUS軟件參數(shù)化語言,建立參數(shù)化模型,以提高疲勞壽命為目標(biāo),對(duì)推力桿進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要研究?jī)?nèi)容包括以下五個(gè)部分:第一部分闡明了商用車推力桿的研究意義,推力桿的發(fā)展與應(yīng)用概況、種類及其工作性能特點(diǎn);歸納總結(jié)了推力桿靜動(dòng)態(tài)特性、優(yōu)化設(shè)計(jì)及疲勞壽命研究現(xiàn)狀,球鉸橡膠疲勞壽命研究方法;明確了本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二部分建立整車動(dòng)力學(xué)模型和推力桿有限元模型,分析了推力桿靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。推力桿多軸載荷的仿真分析不僅與整車動(dòng)力學(xué)建模緊密相關(guān),而且與車輛仿真的路面模型有較大關(guān)聯(lián),聯(lián)合利用ADAMS與Matlab軟件建立了整車在砂石路面的運(yùn)動(dòng)模型。通過動(dòng)力學(xué)仿真,結(jié)合推力桿載荷理論推導(dǎo)計(jì)算及道路載荷測(cè)試分析,獲得了推力桿在各典型行駛工況下的動(dòng)態(tài)載荷及其極限值,得到了各個(gè)推力桿的運(yùn)動(dòng)特性。分別建立I桿和V桿的有限元模型。建立推力桿的三維幾何模型,利用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,根據(jù)項(xiàng)目合作方提供的橡膠材料實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用ABAQUS軟件擬合橡膠的本構(gòu)模型。根據(jù)推力桿總成承載性能要求,對(duì)其承載特性及模態(tài)特性進(jìn)行分析,并與剛度、強(qiáng)度及模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,吻合較好,驗(yàn)證了有限元模型的正確性。獲得了推力桿球鉸橡膠的應(yīng)力、應(yīng)變分布、變形情況及其固有頻率和振型。第三部分分析了球鉸橡膠損傷機(jī)理及推力桿的疲勞損壞形式,推力桿的疲勞失效關(guān)鍵在于球鉸橡膠層的損傷破壞。為了較全面反映疲勞過程中的損傷累積,基于連續(xù)損傷力學(xué)理論,以橡膠的等效應(yīng)力作為損傷參量,建立壽命預(yù)測(cè)模型,提出了推力桿的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法。由于推力桿承受十幾噸的載荷,因此,一旦裂紋在球鉸橡膠層中萌生就會(huì)迅速擴(kuò)展。在循環(huán)載荷作用下橡膠存在應(yīng)力軟化現(xiàn)象及永久變形,其疲勞裂紋主要取決于最大主應(yīng)力,當(dāng)達(dá)到或超過最大主應(yīng)力橡膠分子鏈會(huì)斷裂而產(chǎn)生裂紋,宏觀上表現(xiàn)為元件性能變差,如剛度衰減,當(dāng)疲勞裂紋擴(kuò)展至一定尺寸后,導(dǎo)致最終失效。為了獲得等效應(yīng)力及疲勞裂紋產(chǎn)生位置,利用有限元法對(duì)推力桿縱向加載典型工況進(jìn)行仿真,再結(jié)合橡膠材料啞鈴試件試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證應(yīng)力計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。同時(shí)利用最大對(duì)數(shù)主應(yīng)變建立經(jīng)驗(yàn)性壽命模型,將兩種方法的預(yù)測(cè)值與推力桿臺(tái)架疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明,等效應(yīng)力壽命模型比最大對(duì)數(shù)主應(yīng)變模型預(yù)測(cè)結(jié)果精度高。說明了預(yù)測(cè)方法的有效性和等效應(yīng)力作為橡膠疲勞損傷參量選擇的合理性。第四部分建立了橡膠、塑料結(jié)構(gòu)參數(shù)與推力桿剛度之間的數(shù)量關(guān)系式,從球鉸結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行了推力桿剛度、強(qiáng)度及壽命的影響因素分析。在整車安裝位置及橡膠配方已確定情況下,主要從球鉸結(jié)構(gòu)角度分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推力桿性能的影響。分析了橡膠縱向、軸向預(yù)壓量對(duì)于推力桿剛度特性的影響,結(jié)果表明,隨著縱向、軸向預(yù)壓量的增大,軸向剛度增加不明顯,而縱向剛度增加明顯。分析了球鉸結(jié)構(gòu)形狀及其參數(shù)對(duì)推力桿剛度、強(qiáng)度及疲勞性能的影響,其中塑料層對(duì)球鉸的強(qiáng)度與剛度影響顯著,去掉塑料層剛度降低,橡膠體變形大、應(yīng)力與應(yīng)變?cè)龃?不利于推力桿疲勞壽命的提高。增加塑料層的寬度或加凸起推力桿的剛度增大,橡膠體應(yīng)力與應(yīng)變減小,有利于推力桿疲勞壽命的提高。進(jìn)行了V桿球鉸主要結(jié)構(gòu)的多元回歸分析,建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)與剛度之間的數(shù)量關(guān)系式,通過量化關(guān)系能夠直觀了解對(duì)其剛度特性的影響,為推力桿剛度的調(diào)整及匹配提供了指導(dǎo)。第五部分為了提高推力桿的承載性能及疲勞壽命,在結(jié)構(gòu)參數(shù)分析的基礎(chǔ)上,分別以剛度匹配最優(yōu)和橡膠最大主應(yīng)力最小為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)推力桿進(jìn)行性能優(yōu)化,根據(jù)最優(yōu)結(jié)果試制了樣件,并開展了試驗(yàn)驗(yàn)證。建立了參數(shù)化模型,并經(jīng)有限元分析,得到優(yōu)化后的推力桿剛度及球鉸橡膠應(yīng)力、應(yīng)變分布。分析表明,剛度匹配最優(yōu)優(yōu)化效果更好,根據(jù)該優(yōu)化結(jié)果制作了試件,并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)與裝車道路試驗(yàn),臺(tái)架疲勞試驗(yàn)壽命達(dá)到70萬次以上,道路試驗(yàn)7萬多公里無損壞,推力桿的疲勞壽命有顯著提高。論文從整車角度對(duì)某重型商用車推力桿靜動(dòng)態(tài)載荷及運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析,明確其剛度、強(qiáng)度及壽命的影響因素,提出了其疲勞壽命預(yù)測(cè)方法及性能優(yōu)化方法。完善了推力桿的理論分析計(jì)算,形成了比較完整的正向設(shè)計(jì)理論、方法和流程,所得研究成果具有較強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值,對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域疲勞壽命研究具有一定的借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：商用車 推力桿 性能優(yōu)化 疲勞壽命預(yù)測(cè)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U463.33
【目錄】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 緒論16-30
• 1.1 商用車推力桿研究意義16-17
• 1.2 推力桿發(fā)展概況17-21
• 1.2.1 推力桿發(fā)展與應(yīng)用17-18
• 1.2.2 推力桿分類及特點(diǎn)18-21
• 1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21-28
• 1.3.1 推力桿靜動(dòng)態(tài)特性研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3.2 推力桿優(yōu)化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀23-24
• 1.3.3 推力桿球鉸橡膠疲勞壽命研究現(xiàn)狀24-28
• 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容28-30
• 第2章 推力桿靜動(dòng)態(tài)特性分析30-82
• 2.1 推力桿載荷分析30-56
• 2.1.1 多體動(dòng)力學(xué)建模30-40
• 2.1.2 推力桿載荷仿真40-44
• 2.1.3 推力桿載荷理論計(jì)算44-51
• 2.1.4 理論計(jì)算結(jié)果分析51-53
• 2.1.5 推力桿道路載荷測(cè)試53-55
• 2.1.6 推力桿載荷理論推導(dǎo)仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析55-56
• 2.2 推力桿運(yùn)動(dòng)特性分析56-64
• 2.2.1 路面激勵(lì)的模擬56-57
• 2.2.2 各工況運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)果分析57-63
• 2.2.3 推力桿球鉸運(yùn)動(dòng)分析63-64
• 2.3 推力桿有限元建模64-70
• 2.3.1 推力桿結(jié)構(gòu)與工作特性64-66
• 2.3.2 橡膠材料本構(gòu)模型66-69
• 2.3.3 推力桿有限元建模69-70
• 2.4 推力桿承載特性分析70-76
• 2.4.1 球鉸過盈裝配過程模擬70-72
• 2.4.2 強(qiáng)度分析72-73
• 2.4.3 靜剛度分析73-75
• 2.4.4 剛度與強(qiáng)度試驗(yàn)驗(yàn)證75-76
• 2.5 推力桿模態(tài)分析76-80
• 2.5.1 模態(tài)試驗(yàn)77-78
• 2.5.2 模態(tài)仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析78-80
• 2.6 本章小結(jié)80-82
• 第3章 推力桿疲勞壽命預(yù)測(cè)82-104
• 3.1 推力桿失效形式分析82-83
• 3.2 推力桿疲勞破壞機(jī)理分析83-86
• 3.2.1 裂尖內(nèi)聚應(yīng)力83-85
• 3.2.2 橡膠應(yīng)力軟化及永久變形85-86
• 3.3 橡膠疲勞累積損傷86-88
• 3.3.1 線性疲勞累積損傷準(zhǔn)則86-87
• 3.3.2 剛度衰減與疲勞損傷87-88
• 3.4 基于連續(xù)損傷力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測(cè)88-91
• 3.4.1 連續(xù)損傷力學(xué)分析流程88-89
• 3.4.2 裂紋萌生疲勞損傷分析89-91
• 3.5 疲勞壽命預(yù)測(cè)模型91-95
• 3.5.1 等效應(yīng)力壽命模型91-95
• 3.5.2 最大對(duì)數(shù)主應(yīng)變模型95
• 3.6 推力桿有限元分析95-97
• 3.7 推力桿疲勞壽命預(yù)測(cè)及驗(yàn)證97-102
• 3.7.1 疲勞壽命預(yù)測(cè)97-100
• 3.7.2 疲勞壽命驗(yàn)證100-101
• 3.7.3 疲勞壽命預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果分析101-102
• 3.8 本章小結(jié)102-104
• 第4章 推力桿性能影響因素分析104-120
• 4.1 球鉸橡膠預(yù)壓縮分析104-106
• 4.2 球鉸結(jié)構(gòu)對(duì)強(qiáng)度的影響分析106-110
• 4.2.1 球鉸全橡膠結(jié)構(gòu)107
• 4.2.2 球鉸橡膠與塑料結(jié)構(gòu)形狀107-109
• 4.2.3 球鉸其它結(jié)構(gòu)參數(shù)109-110
• 4.3 球鉸結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的影響分析110-113
• 4.3.1 球鉸外圍零件直徑111
• 4.3.2 球鉸塑料層寬度111
• 4.3.3 球鉸結(jié)構(gòu)與剛度之間的關(guān)系111-113
• 4.4 球鉸主要結(jié)構(gòu)對(duì)推力桿剛度回歸分析113-115
• 4.4.1 橡膠預(yù)壓量與縱向剛度回歸分析113-114
• 4.4.2 橡膠塑料與縱向剛度回歸分析114-115
• 4.4.3 橡膠塑料與軸向剛度回歸分析115
• 4.5 球鉸結(jié)構(gòu)對(duì)推力桿性能靈敏度分析115-116
• 4.6 穩(wěn)定性分析116-119
• 4.7 本章小結(jié)119-120
• 第5章 推力桿性能優(yōu)化設(shè)計(jì)研究120-144
• 5.1 推力桿的材料與工藝改進(jìn)120-130
• 5.1.1 芯軸材料與工藝改進(jìn)設(shè)計(jì)120-126
• 5.1.2 球鉸塑料層改進(jìn)設(shè)計(jì)126-128
• 5.1.3 球鉸端蓋改進(jìn)設(shè)計(jì)128
• 5.1.4 大端外套改進(jìn)設(shè)計(jì)128-130
• 5.2 推力桿設(shè)計(jì)理論130-135
• 5.2.1 推力桿設(shè)計(jì)方法130-132
• 5.2.2 推力桿優(yōu)化設(shè)計(jì)流程132-135
• 5.3 推力桿性能優(yōu)化設(shè)計(jì)135-139
• 5.3.1 設(shè)計(jì)變量及約束條件135-136
• 5.3.2 目標(biāo)函數(shù)136-137
• 5.3.3 優(yōu)化結(jié)果及分析137-139
• 5.4 推力桿臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證139-143
• 5.4.1 樣件試制139-141
• 5.4.2 臺(tái)架試驗(yàn)141-142
• 5.4.3 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果及分析142-143
• 5.5 整車試驗(yàn)143
• 5.6 本章小結(jié)143-144
• 第6章 總結(jié)與展望144-148
• 6.1 全文總結(jié)144-146
• 6.2 論文創(chuàng)新點(diǎn)146-147
• 6.3 論文展望147-148
• 參考文獻(xiàn)148-156
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及參加的科研項(xiàng)目156-157
• 致謝157

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5 王旭亮;不確定性疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2009年

6 朱順鵬;高溫復(fù)雜結(jié)構(gòu)的混合概率故障物理建模與疲勞壽命預(yù)測(cè)[D];電子科技大學(xué);2012年

7 雷冬;疲勞壽命預(yù)測(cè)若干方法的研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

8 張國慶;零件剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)方法與產(chǎn)品可再制造性評(píng)估研究[D];上海交通大學(xué);2007年

9 周澤;基于真實(shí)路譜重現(xiàn)的虛擬臺(tái)架及汽車疲勞壽命預(yù)測(cè)研究[D];湖南大學(xué);2013年

10 王濰;42CrMo鋼疲勞短裂紋演化行為及疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究[D];山東大學(xué);2008年

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 何素軍;ST12鋼拉剪點(diǎn)焊件的疲勞壽命預(yù)測(cè)[D];昆明理工大學(xué);2015年

2 張?zhí)m蘭;智能算法在疲勞壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用[D];上海工程技術(shù)大學(xué);2016年

3 謝鋒;汽車懸架控制臂的有限元分析及疲勞名壽命預(yù)測(cè)[D];華南理工大學(xué);2016年

4 范凱杰;考慮不確定性的控制臂拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)及其疲勞壽命預(yù)測(cè)[D];電子科技大學(xué);2016年

5 陳永興;基于改進(jìn)損傷模型的疲勞壽命預(yù)測(cè)[D];湖南大學(xué);2016年

6 丁亮亮;某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇軸疲勞壽命預(yù)測(cè)及可靠性分析[D];電子科技大學(xué);2014年

7 王浩博;考慮風(fēng)速向聯(lián)合分布的高聳結(jié)構(gòu)順風(fēng)向風(fēng)致疲勞壽命預(yù)測(cè)分析[D];西南交通大學(xué);2015年

8 張智勝;航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤疲勞壽命預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)可靠性分析[D];電子科技大學(xué);2014年

9 李曉婷;驅(qū)動(dòng)輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)[D];大連理工大學(xué);2013年

10 張營;基于初始應(yīng)力條件的發(fā)動(dòng)機(jī)連桿剩余疲勞壽命預(yù)測(cè)[D];山東大學(xué);2012年

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本文編號(hào)：1112887