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面向疲劳可靠性的菱形客车转向轮总成关键部件优化设计

欧晓波  
【摘要】:绝大多数的机械零部件都是在变载荷下工作,其失效形式主要为疲劳破坏,而传统的静强度设计,未考虑结构在运行中所承受的动态随机载荷,结构往往在应力远小于屈服强度的情况下发生破坏,因而存在一定的安全隐患因此,为了提高构件的设计质量,在设计时考虑构件的疲劳可靠性是必要的 菱形车型碰撞安全性高,在正碰及侧碰时都有很好的表现,能够有效保证驾驶员及乘客安全,并且其转弯半径小风阻系数小减重效果好随着研发工作的不断开展,菱形车型技术逐渐成熟,诸如整车平顺操作稳定性及疲劳可靠性等的分析及试验工作也在逐渐展开本文是菱形车型疲劳可靠性研究的一部分,主要研究及工作内容如下: 首先,在探讨了对菱形客车进行试验场试验必要性的基础上,考虑了单元选择构件间连接,弹性元件参数匹配等,运用Matlab及有限元工具生成有效的三维随机路面有限元模型,进而结合虚拟试验场技术构建了菱形客车转向轮总成的非线性动力学有限元模型; 其次,结合可靠性试验规范要求及虚拟试验场技术的特点,构建菱形客车转向轮总成各工况分析模型,进行显示求解,得到各工况中横梁动态应力时间历程,运用雨流计数法及疲劳累积损伤理论计算出单个循环各单元及节点损伤值,进而整合各工况损伤值,完成横梁综合寿命评价; 最后,在得出横梁的综合寿命值后,进而考虑构件的轻量化及抗疲劳设计针对参数波动情况,文中先以车轮为例,结合试验设计技术,近似模型技术,构建设计变量与响应值之间的函数关系,从而以近似模型代替有限元模型对车轮分别进行了确定性及可靠性优化设计,结果显示,可靠性优化结果的约束质量远高于确定性优化,体现了在零构件优化设计中考虑可靠性的必要性进而将此方法应用于横梁的优化设计中,完成了菱形客车横梁的优化设计工作 本文验证了近似模型用于疲劳问题的精确性和有效性及其代替有限元模型进行优化设计的高效性,通过确定性优化与可靠性优化的对比,显示了优化设计时考虑可靠性的必要性文中分析及优化流程清晰且完整,能够为下一步的其它的工作所借鉴,涉及到的方法也能够为后续工作或其他领域的研究所用


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