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小汽車減震器的疲勞分析

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機(jī)制1504-王舜-2015201613_開題報(bào)告
減震器開題報(bào)告1.課題研究立項(xiàng)依據(jù)（所選課題的來源、科學(xué)意義、目的，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀）
1.1所選課題的來源
汽車支柱式減震器將減震器和彈簧集成在一起，用于承擔(dān)發(fā)動(dòng)機(jī)，車身，底盤，貨物和乘客的重量，同時(shí)緩和并衰減汽車行駛中由于車速，路面激勵(lì)造成的沖動(dòng)振動(dòng)，彈簧下座作為支柱式減震器的重要承載零件，其可靠性不僅關(guān)系到汽車行駛平順性，還關(guān)系到行駛安全性。
在汽車產(chǎn)品的研制過程中，需要對零件部件進(jìn)行大量的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和整車耐久實(shí)驗(yàn)，不僅試驗(yàn)費(fèi)用高，周期長，而且問題大多出現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成之后，這對設(shè)計(jì)更改帶來一定難度，通過有限元疲勞仿真分析，可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對產(chǎn)品進(jìn)行疲勞耐久預(yù)測，找到結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，提出合理的改進(jìn)方案，以大幅減少或最終取代部分疲勞試驗(yàn)，隨著計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)硬件水平的逐步提高，汽車關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)水平從壽命定性設(shè)計(jì)到壽命定量設(shè)計(jì)已成為可能。
1.2科學(xué)意義及目的
隨著人們對汽車舒適性和穩(wěn)定性的要求越來越高，汽車在行駛過程中的振振動(dòng)問題凸顯出來，也成為限制舒適性和穩(wěn)定性的短板，這時(shí)對人們需要使用到一個(gè)重要部件—減震器。減震器除了可以帶來舒適的乘車體驗(yàn)以外，還可以減少汽車其他零部件的損耗程度，延長其使用壽命。
減震器是汽車懸掛系統(tǒng)的重要部件，如果把發(fā)動(dòng)機(jī)比喻為汽車的“心臟”，變速器為汽車的“中樞神經(jīng)”，那么底盤及懸掛系統(tǒng)就是汽車的“骨骼骨架”。懸掛系統(tǒng)不僅決定了一輛汽車的舒適性與操控性，同時(shí)對車輛的安全性起到很大的決定作用。從而成為衡量其質(zhì)量及檔次的重要指標(biāo)。
1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
1.3.1疲勞分析的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀
1839年巴黎大學(xué)教授J.U.Poneelet在講課時(shí)，首先使用了“金屬疲勞”的概念。
1850-1860年德國工程師Wholer首先開展了疲勞的試驗(yàn)研究，并提出了應(yīng)力-壽命圖和疲勞的概念。
1864年H.Gerber與Goodaman提出了考慮平均應(yīng)力影響的疲勞壽命計(jì)算方法。
1871年，德國人Wohlor在發(fā)表的論文中，系統(tǒng)的描述了疲勞壽命與循環(huán)應(yīng)力之間的關(guān)系，提出了S-N曲線和疲勞極限的概念，奠定了金屬疲勞研究的基礎(chǔ)。
1910年，O.H.Basquin提出了描述金屬S-N曲線的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律。Bairsotw研究指出形變滯后與疲勞破壞的關(guān)系。
1924年P(guān)almgren首先提出了線性累積損傷原理。
1929年B.P.Haigh研究了缺口敏感性。Manson和Coffin分別獨(dú)立提出了發(fā)生疲勞破壞時(shí)的載荷反向次數(shù)同塑性應(yīng)變幅的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，即。Manson-Coffin應(yīng)變-壽命原理。
1945年Miner推導(dǎo)出了Palmgren-Mnier線性累積損傷理論。
1961年Nebuber提出了描述缺口非線性應(yīng)力-應(yīng)變特性的定律。
1969年Toper.T.H等人提出了用Nebuber公式和光滑試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定缺口疲勞壽命的簡化方法。
1971年WetezlR.M使局部應(yīng)力應(yīng)變法很快發(fā)展起來。
1980年，E.B.Huagne出版了比較全面的概率疲勞設(shè)計(jì)專著，另外對隨機(jī)荷載下長壽命區(qū)疲勞壽命的研究以及概率疲勞損傷力學(xué)，概率斷裂力學(xué)的出現(xiàn)將疲勞研究推向了一個(gè)嶄新的階段。
從1982年起，相繼在美國，英國，德國，波蘭以及葡萄牙等國家多次召開了疲勞國際學(xué)術(shù)會(huì)議，多軸疲勞研究已從80年代初由單純的比與非比例加載下材料的疲勞行為發(fā)展到現(xiàn)在如何針對工程實(shí)際載荷情況進(jìn)行疲勞損傷及壽命預(yù)測方面上來。國內(nèi)也有一些高校和科研單位對減震器的疲勞進(jìn)行了大量研究，如清華大學(xué)，西南大學(xué)，西安交通大學(xué)，天津大學(xué)等多軸循環(huán)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了大量研究。東北大學(xué)，南京航天航空大學(xué)，北京工業(yè)大學(xué)等對疲勞損傷及壽命預(yù)測等方面進(jìn)行了大量的研究，取得了很重要的研究成果。
1.3.2 減震器的發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀
1.回顧歷史的減震器
減震器的統(tǒng)一原理是通過阻尼運(yùn)動(dòng)損耗振振動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量，下面介紹三種減震器都遵循這一遵旨。
1.1彈簧減震器
彈簧減震器是最早的減震裝置，其優(yōu)點(diǎn)能穩(wěn)定的減少震動(dòng)，但缺點(diǎn)是產(chǎn)生共振。
1.2液壓減震器
是20世紀(jì)初出現(xiàn)的，這種減震器也用到了橡膠，但由于其減震效果容易受到溫度的影響，減震器體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)逐漸被淘汰。
1.3充氣式液壓減震器
這種減震器產(chǎn)生阻尼的原理為：汽車震動(dòng)帶來的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)上下腔產(chǎn)生油液差，壓力差帶動(dòng)壓力閥和伸張閥來回往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生阻尼，減少震動(dòng)能量。
2.減震器發(fā)展現(xiàn)狀
我國汽車減震器的發(fā)展比起世界發(fā)達(dá)過年減震器的發(fā)展，處于較為緩慢落后的地位，僅相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家80年代的水平，目前我國大部分汽車的減震器還是用40年代興起的雙筒式液壓減震器，高檔轎車減震器大部分采用國外進(jìn)口的方式，這一技術(shù)阻礙了我國汽車技術(shù)的發(fā)展，成為需要解決的問題。
經(jīng)過十多年的發(fā)展，我國汽車減震器也在CKD方面取得了極大的進(jìn)步。首先涌現(xiàn)出一批專業(yè)制造汽車減震器的生產(chǎn)廠家，包括清洗機(jī)等；其次配套于汽車減震器的其他零部件的生產(chǎn)水平也大大提高，我國制造的減震器及其零部件越來越符合標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了高質(zhì)量，高標(biāo)準(zhǔn)。
2.課題研究的基本內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)或成果
2.1研究內(nèi)容
（1）建立減震器結(jié)構(gòu)模型，對其施加單位荷載。
（2）利用CAD軟件建立減震器三維模型，彈簧下座焊接于貯液缸筒，螺旋彈簧上端壓緊彈簧下座，下端壓緊彈簧下座的3/4圈螺旋面。
（3）采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行靜態(tài)應(yīng)力分析，采用8節(jié)點(diǎn)SHELL93高階殼單元對減震器進(jìn)行網(wǎng)格離散，以獲取較精確的應(yīng)力分布。
（4）由于減震器的最大等效應(yīng)力超過了材料屈服極限，低于強(qiáng)度極限，局部產(chǎn)生一定的塑性形變。利用Neuber修正方法將彈性形變轉(zhuǎn)變?yōu)閺椝苄詰?yīng)變。
（5）采用nSoft進(jìn)行疲勞仿真分析，將對應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)力結(jié)果導(dǎo)入nSoft，利用Miner準(zhǔn)則計(jì)算疲勞壽命。
2.2預(yù)期目標(biāo)
如果原結(jié)構(gòu)的疲勞壽命小于安全壽命，故需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化分為兩部分，結(jié)構(gòu)修改和材料更改，當(dāng)疲勞壽命達(dá)到無限壽命時(shí)，則滿足設(shè)計(jì)要求，提高了減震器整體的性能和質(zhì)量。
3.課題的研究方案（擬采用的研究方法、技術(shù)路線、試驗(yàn)方案）
3.1研究方法
用有限元法進(jìn)行疲勞分析，由于結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)往往是一復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，而在實(shí)驗(yàn)中測得的結(jié)構(gòu)材料S-N曲線又常是在簡單應(yīng)力狀態(tài)下獲得的，因此常用最小能量屈服準(zhǔn)則或其它等效準(zhǔn)則，將所研究的疲勞點(diǎn)上的復(fù)雜應(yīng)力用一個(gè)等效應(yīng)力替代。對有限元法而言，這一過程很容易實(shí)現(xiàn)。等效替代以后，即可參照原始材料的S-N曲線進(jìn)行疲勞壽命評估。
3.2技術(shù)路線
收集資料 - 歸納分析 - 確定分析方案 - 基于ANSYS軟件分析 - 統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果 - 結(jié)果分析-結(jié)構(gòu)優(yōu)化 - 總結(jié)成果 - 吸取經(jīng)驗(yàn)...

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