某铝合金车架轻量化设计及疲劳耐久性验证

摘要

本文以铝合金车架为研究对象，开展基于断面优化的车架轻量化设计，并对结构优化前后的车架疲劳耐久性能进行验证。基于近似模型理论，建立基于关键梁断面参数的各性能响应面模型，在满足车架弯扭刚度及一阶弯扭模态性能前提下，使车架质量最小化。然后基于车架标准正弦载荷谱与疲劳分析相关理论进行分析，进而验证车架疲劳耐久性能。　　首先基于车架三维模型建立有限元模型，然后对车架分别进行静态特性分析(弯曲及扭转工况)与动态特性分析(模态分析)得到车架的静态刚度与模态参数，并利用试验与仿真数据对比，发现误差均控制在10%以内，验证了铝合金车架有限元分析的准确性，从而为后续优化验证做准备。与此同时，对车架弯扭工况静强度性能进行分析，发现车架最大应力均远低于铝合金材料的许用应力。　　然后选取灵敏度较大的A立柱下加强件、前壁板下加强横梁及前排座椅安装横梁基于BEAM单元进行模拟，利用RBE2单元连接车架详细接头与BEAM单元，并通过误差对比验证概念模型的精度。基于铝合金车架关键断面进行研究，建立多学科优化方法，通过将响应面(RSM)模型、神经网格(RBF)模型、克里格模型进行对比，发现响应面模型能更好地拟合原模型。对刚度、模态与质量模型建立响应面模型，以上述关键梁的断面参数为设计变量、弯扭刚度及一阶弯扭模态为约束、整车质量最小为目标进行轻量化设计。结果显示，在车架弯扭刚度与一阶弯扭模态性能略微增加的前提下，车架质量降低1.86kg，减重率为1.94%，从而表明基于关键梁断面优化的车架轻量化设计具有良好的效果。　　最后对车架疲劳耐久性能进行验证，研究方法选取名义应力法。导入扭转工况静强度分析结果，建立标准正弦载荷谱，再结合疲劳分析相关理论，对车架疲劳寿命进行分析。通过分析结构优化前后的车架疲劳耐久性能可发现，结构优化前车架的最大应力为122.8MPa，而结构优化后车架的最大应力为114.4MPa；结构优化后车架的最小安全系数为1.765，稍优于结构优化前车架的最小安全系数1.763，且结构优化后的车架在扭转工况下的最小寿命明显优于结构优化前铝合金车架的最小寿命，也即车架结构优化后的最大应力、疲劳寿命及安全系数均优于结构优化前的，从而再次验证了铝合金车架轻量化设计的有效性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 汽车轻量化国内外研究现状

1.2.1 轻量化材料研究现状

1.2.2 先进工艺研究现状

1.2.3 结构优化技术研究现状

1.3 车架疲劳耐久性能国内外研究现状

1.4 本文研究内容

第2章 铝合金车架有限元分析及评估

2.1 铝合金车架有限元模型的建立

2.1.1 有限元分析基本理论

2.1.2 有限元分析软件介绍

2.1.3 铝合金车架有限元模型的建立

2.2 铝合金车架模态分析

2.2.1 模态分析概述

2.2.2 模态分析理论

2.2.3 车架模态分析

2.3 铝合金车架静刚度分析

2.3.1 铝合金车架弯曲刚度分析

2.3.2 铝合金车架扭转刚度分析

2.4 铝合金车架静强度分析

2.4.1 铝合金车架弯曲工况静强度分析

2.4.2 铝合金车架扭转工况静强度分析

2.5 铝合金车架性能试验

2.5.1 铝合金车架模态试验

2.5.2 铝合金车架弯曲刚度试验

2.5.3 铝合金车架扭转刚度试验

2.5.4 结果对比与分析

2.6 本章小结

第3章 铝合金车架轻量化设计

3.1 背景意义

3.2 基于关键梁的铝合金车架参数化建模

3.2.1 梁单元的应用

3.2.2 关键接头等效形式

3.2.3 连接方式等效形式

3.2.4 基于 BEAM 单元的关键梁参数化建模

3.3 基于断面优化的铝合金车架轻量化设计

3.3.1 多学科优化流程

3.3.2 多学科优化模型的建立

3.3.3 试验设计方法介绍

3.3.4 近似模型建模方法介绍

3.3.5 基于性能的近似模型建模方法对比

3.3.6 轻量化设计

3.4 优化验证与结果分析

3.5 本章小结

第4章 铝合金车架疲劳耐久性能验证

4.1 背景意义

4.2 车架疲劳寿命分析的基本理论与方法

4.2.1 Miner 疲劳损伤理论

4.2.2 材料 S-N 曲线

4.2.3 雨流计数法

4.2.4 车架结构疲劳寿命分析方法

4.3 本文铝合金车架疲劳寿命分析步骤

4.4 铝合金车架结构优化前后疲劳耐久性能对比

4.5 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致 谢