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商用车动力总成悬置性能模拟与疲劳寿命预测研究

姜莞  
【摘要】:橡胶悬置成本低,承载能力大,普遍用于中重型商用车的动力总成悬置系统,在动力总成和车架(车体)间起到衰减振动和限位的重要作用。由于中重型商用车的工作载荷大、路况环境恶劣,常发生橡胶悬置的过早失效,表现为橡胶的开裂和金属与橡胶层的脱落,严重影响到整车可靠性和耐久性,更影响到用户的经济利益。由于橡胶悬置的静动刚度和寿命影响因素较多,机理非常复杂,目前大多厂家对橡胶悬置的的设计通常是逆向设计,靠经验进行设计,缺少正向设计的理论和开发流程,迫切需要基于静动刚度特性和疲劳寿命的橡胶悬置的正向设计开发理论和方法。目前金属材料疲劳寿命预测方法及理论已经发展成熟,但是在橡胶悬置的设计方面,缺少成熟的理论和方法,尤其是在橡胶悬置疲劳寿命预测方面,更是少之又少。本文以某重型商用车所配道依茨(DEUTZ)动力总成前、后橡胶悬置研究对象,进行动力总成橡胶悬置系统的隔振性能模拟仿真和疲劳寿命的预测研究,具体内容分为七个部分: 第一章归纳总结了国内外有关橡胶减振件有限元模拟及橡胶减振件疲劳寿命预测方面的研究现状,回顾了有限元方法作为现代设计方法最有效的手段,在橡胶减振件方面的应用和发展,重点对汽车动力总成橡胶悬置有限元建模、静动刚度特性模拟、疲劳寿命预测,特别对橡胶疲劳破坏分析所采用的各种研究方法等进行了归纳和总结。 第二章建立了动力总成橡胶悬置的有限元模型,并进行有限元计算分析。将橡胶悬置的三维几何模型导入有限元前处理软件,进行网格划分,继而导入非线性有限元软件ABAQUS中,根据橡胶材料试样的应力——应变数据,构造了本橡胶悬置的本构关系,并采用马斯林效应和永久变形力学特性,模拟橡胶材料在循环载荷造成的累进破坏过程。对橡胶悬置的静、动刚度特性进行计算模拟,并与静、动刚度试验数据对比,吻合较好,验证了有限元模型的正确性,也为下一步对橡胶悬置的寿命预测奠定基础。 第三章基于前面的理论模型,对动力总成橡胶悬置疲劳裂纹萌生寿命开展研究。以最大主应变为中间破坏变量,将动力总成橡胶悬置的寿命与标准3D哑铃状试件的寿命联系起来,预测元件的单轴载荷下疲劳寿命,并曲线拟合得到以载荷表示的单轴载荷疲劳寿命预测公式。动力总成橡胶悬置实际上不仅受到Z向载荷,而且还受到X向载荷和Y向载荷,因此以最大主应力为中间破坏变量,预测动力总成橡胶悬置多轴载荷下的疲劳寿命,并曲线拟合得到多轴载荷-疲劳寿命关系,其中前悬置载荷-寿命关系以双轴载荷-疲劳寿命曲面图来表示,后悬置载荷-寿命关系以X向、Y向、Z向载荷形成三维坐标轴系,以不同色彩区域表示寿命,制成三轴载荷-疲劳寿命云图来表示。双轴载荷-疲劳寿命曲面和三轴载荷-疲劳寿命云图的提出能够直观有效地揭示多轴载荷下动力总成橡胶悬置的载荷-疲劳寿命关系。 第四章采用断裂力学方法分析动力总成橡胶悬置的疲劳裂纹扩展。道依茨动力总成前后悬置的失效形式为橡胶悬置疲劳裂纹发展及断裂。依据悬置实际破坏形式确定裂纹的位置和角度,划分会聚于裂纹线的网格,建立带有裂纹的常规有限元模型模拟动力总成悬置的橡胶体断裂的失效形式。为分析悬置橡胶-金属界面上的开裂,采用粘接单元模拟橡胶和金属材料间复杂的结合部界面层,模拟动力总成橡胶悬置的橡胶-金属硫化界面疲劳裂纹扩展。为满足预测裂纹出现的时机、位置及发展方向的需要,本文采用最新的扩展有限元技术,模拟了沿任意的路径自动产生和传播的裂纹。 第五章对影响动力总成橡胶悬置性能的影响因子进行分析。橡胶悬置的刚度、疲劳寿命受很多因素的影响,针对分析的不同阶段,将正交设计、回归拟合、方差分析及相关分析等方法有机结合,形成了影响因子综合分析体系。本文重点考虑了预载、尺寸形状、硬度等因子对于动力总成橡胶悬置的静动刚度和疲劳寿命的综合影响,得出了一系列结论:硬度对于前、后悬置影响均较大,又可以方便调节,且对动刚度影响不显著,较适于抗疲劳破坏特性的设计;预载也有一定影响。前悬置的锥面角度影响较大,而底面中径影响不大;增加后悬置宽度尺寸会提高其疲劳寿命和Z向刚度。 基于有限元方法对橡胶悬置的设计,目前尚处于初期发展阶段,第六章以道依茨动力总成橡胶悬置为本文的研究实例,提出道依茨动力总成橡胶悬置应该具备的静、动刚度和疲劳寿命。 第七章对动力总成橡胶悬置进行试验研究。对动力总成橡胶悬置进行了静、动刚度试验、台架疲劳试验,进行了实车动力总成橡胶悬置的振动传递率测试,试验结果表明,本文建立的动力总成橡胶悬置有限元模型和分析方法的正确。 第八章总结了本文的主要工作、研究成果和工作展望。


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