基于模态应力恢复的汽车传动轴疲劳寿命预测与研究

摘要

随着有限元理论、多体动力学理论和疲劳理论的不断发展，近年来，基于以上理论的汽车零部件疲劳分析也成为了汽车研究的热点领域之一。汽车传动轴作为汽车传动系的关键零部件之一，在工作过程中不断承受交变载荷的作用，容易发生疲劳破坏，因此需要对其进行疲劳强度设计。目前，传动轴疲劳寿命的评估主要靠台架试验，需花费大量人力物力。利用虚拟样机技术对汽车零部件进行疲劳分析能够大大缩短整车研发周期，节约研发经费。本文即利用虚拟样机技术，根据某车型的设计参数对该车型传动轴进行了结构设计及有限元分析，并预测和研究了其关键零件十字轴的疲劳寿命。
　　首先，本文根据某车型的设计参数对其使用的传动轴进行了结构设计，并建立了该传动轴的有限元模型，对其进行了静扭转强度分析和模态分析，并以分析结果为基础对其做了系统评价。
　　其次，对传动轴中关键零件十字轴进行了基于模态应力恢复的疲劳寿命分析。使用MS C.Patran/Nastran获得了十字轴的模态中性文件及含有模态应力信息的结果文件;在MSC.Adams中建立了传动轴刚柔耦合的多体动力学模型，通过仿真得到了进行疲劳分析所需的各阶模态对应的DAC文件;最后将载荷时间历程文件导入到MSC.Fatigue中，编制十字轴材料的S-N曲线，对十字轴进行了疲劳寿命分析，获得了十字轴在特定工况下疲劳寿命的分布情况及最危险点的寿命值。
　　最后，对一些影响十字轴寿命的因素进行了研究。分别对比了不同材料、不同油口位置、不同形状和不同传动轴安装夹角对十字轴疲劳寿命的影响。发现使用20CrMnTi的十字轴能极大提高其疲劳寿命;十字轴油口侧开会削弱其疲劳寿命;使用中凹形十字轴能够在寿命略微下降的基础上实现十字轴轻量化设计;传动轴安装夹角的增大会降低十字轴的疲劳寿命。
　　本文研究成果可对新车传动轴的研发设计和已有传动轴产品的设计改进提供一定的参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 汽车零部件疲劳的研究情况

1．3 课题研究背景及研究意义

1．4 课题主要研究内容

第2章 理论基础及本课题技术方法

2．1 多体系统动力学基本理论

2．1．1 概述

2．1．2 多刚体系统动力学理论

2．1．3 多柔体系统动力学理论

2．2 疲劳理论

2．2．1 疲劳累积损伤理论

2．2．2 疲劳寿命分析方法

2．2．3 有限元疲劳分析方法

2．3 本课题技术方法

2．4 本章小结

第3章 传动轴结构设计及有限元分析

3．1 汽车传动轴概述

3．2 传动轴结构设计

3．2．1 传动轴设计的输入条件

3．2．2 传动轴设计

3．3 传动轴有限元模型的建立

3．3．1 有限元方法概述

3．3．2 传动轴各零件材料参数

3．3．3 有限元模型的建立

3．4 传动轴静力学分析

3．4．1 计算工况

3．4．2 边界条件

3．4．3 计算结果及分析

3．5 传动轴模态分析

3．5．1 模态分析概述

3．5．2 模态提取方法的选择

3．5．3 模态分析结果

3．6 本章小结

第4章 传动轴刚柔耦合的多体动力学仿真

4．1 模态应力恢复法

4．2 十字轴的模态中性文件

4．2．1 ADAMS软件的柔性体

4．2．2 十字轴的模态中性文件建立

4．4 传动轴刚柔耦合建模

4．5 刚柔耦合模型仿真及结果输出

4．6 本章小结

第5章 传动轴十字轴的疲劳分析

5．1 疲劳分析软件MSC．Fatigue简介

5．2 材料S-N曲线

5．3 十字轴疲劳寿命分析

5．3．1 十字轴疲劳仿真模型的建立

5．3．2 十字轴疲劳仿真结果与分析

5．4 影响十字轴疲劳寿命因素研究

5．4．1 十字轴材料对疲劳寿命的影响

5．4．2 十字轴油口位置对疲劳寿命的影响

5．4．3 十字轴形状对疲劳寿命的影响

5．4．4 传动轴安装夹角对疲劳寿命的影响

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 本论文的主要内容及结论

6．2 展望

参考文献

致谢