CN103761364A - 乘用车车桥结构设计方法 - Google Patents

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尹辉俊
李峰
莫翔明
刘媛媛
孙钊
王新宇
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Abstract

本发明旨在提供一种乘用车车桥结构设计方法，该设计方法步骤包括：对现有的典型乘用车车桥结构进行有限元建模，对上述模型进行静力分析与模态响应分析，根据分析结果组合优化得到设计车桥结构模型，并对设计车桥结构模型重复上述有限元分析，同时结合电测试验、疲劳分析以及疲劳台架试验，完成对设计车桥结构模型的全面评估。本发明乘用车车桥结构设计方法通过对典型乘用车车桥结构的组合优化，结合有限元分析、电测试验以及疲劳台架试验，完成乘用车车桥结构的设计，具有步骤简单、全面性强、可靠性强的特点，为乘用车车桥结构的设计提供理论依据。

Description

乘用车车桥结构设计方法
技术领域
本发明涉及车桥结构设计领域，具体涉及一种乘用车车桥结构设计方法。
背景技术
乘用车车桥通过悬架与车架相连，两端安装车轮，传递车架与车轮之间各方向的作用力及其力矩。随着我国乘用车的不断发展，对乘用车车桥的承载能力有了更高的要求，如何避免车桥在实际使用中出现变形、断裂等情况成为车桥结构研究的重点。在进行新型车桥的结构设计需要大量的资金及时间，因此参照现有技术成熟的典型车桥进行所需车桥结构设计以达到更高的使用要求是十分有必要的。
发明内容
本发明旨在提供一种乘用车车桥结构设计方法，该设计方法克服现有乘用车车桥结构开发成本高，周期长的缺陷，具有步骤简单、全面性强、可靠性强的特点，为乘用车车桥的设计提供准确理论依据。
本发明技术方案如下：一种乘用车车桥结构设计方法，包括以下步骤：
A、对目前现有典型车桥结构进行CAE分析；
B、将各典型车桥结构的CAE分析结果进行对比，比较各典型车桥结构上的优缺点，将各个优势的部分进行组合优化设计，获得设计车桥结构；对设计车桥结构进行CAE分析，找出其中应力较大的部分；
C、将设计车桥结构制成实体，对其应力较大的部分进行应力应变电测实验，得出设计车桥结构实体电测实验结果；
D、对设计车桥结构进行有限元疲劳分析，得出有限元疲劳分析结果；
E、对设计车桥结构实体进行疲劳台架试验，得出设计车桥结构实体的疲劳试验结果；
F、对设计车桥结构的CAE分析结果和有限元疲劳分析结果与电测实验结果和疲劳实验结果进行对比分析；若各项数据在质量要求范围内，则该车桥结构模型满足质量要求；反之，则对设计车桥进行结构改进。
所述步骤A具体过程如下：
A1、建立乘用车车桥典型车桥结构模型，并设定附加材料属性、参数、载荷、约束条件；
A2、对各典型车桥结构模型进行在扭转工况下的有限元静力分析与有限元模态响应分析，得到各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型。
所述步骤B具体过程如下：
根据各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型进行组合优化，选取各典型车桥结构模型中的优势部位进行组合，得到设计车桥结构模型，对设计车桥结构模型重复步骤A的分析处理，得到设计车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型。
所述步骤C具体过程如下：
C1、将设计车桥结构制成实体，对车桥结构实体应力较大的部分进行电测实验，对测点使用砂轮进行打磨，将测点表面油漆打磨掉，露出金属，并用砂纸进行打磨，使测点表面处更加光滑；
C2、打磨完成后，用沾有丙酮的脱脂棉对测点处进行擦拭，然后在测点处粘贴应变片，过桥，并使用电烙铁将应变片—过桥—测试电线三者焊接起来；
C3、将测试电线的另一端连接到应变测试仪上，将车桥安装在台架试验台上，开始测试，对车桥施加正负50mm的强迫位移，采集数据。
所述步骤D具体过程如下：
导入有限元模型及应力结果，设置车桥扭转工况疲劳载荷、材料的疲劳特性；进行疲劳分析求解，获得寿命结果云图，从而获得疲劳实验结果。
所述步骤E具体过程如下：
将车桥结构实体安装在疲劳台架试验台上，模拟车桥扭转工况，对实体两端施加正负50mm的极限强迫位移，反复进行多次循环，直到实体发生断裂破坏，记录扭转次数。
所述步骤F具体过程如下：
综合分析有限元计算结果、电测试验、疲劳实验数据，若设计车桥结构所受最大应力小于材料抗拉强度，扭转次数在标准范围内，则该设计车桥结构符合质量要求；若数据不满足相关要求，则对车桥进行结构改进，所述结构改进包括增加材料厚度、局部采用圆角过渡。
本发明乘用车车桥结构设计方法通过对现有技术成熟的典型乘用车车桥结构进行有限元建模，得到典型车桥结构模型，并对各典型车桥结构模型在扭转工况下进行有限元静力分析与有限元模态响应分析，根据得到的各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型进行组合优化，得到设计车桥结构模型，并对设计车桥结构模型再次进行扭转工况下进行有限元静力分析与有限元模态响应分析，并进行有限元疲劳分析，同时将应力云图的应力较大区域作为电测区域对车桥结构模型实体进行极限工况下的电测试验与疲劳台架试验，最后综合评估分析该车桥结构模型是否满足质量要求，评估的标准范围可根据行业标准或是企业要求自行设定。
设计车桥结构以多个技术成熟典型乘用车车桥结构为参照设计得出，综合了各典型结构的优势部分，使得设计的车桥性能更优良、更全面；将静力分析与模态响应分析结合，不仅考虑了车桥所受到的各方向的作用力与力矩的作用，同时还考虑了车桥受到路面不平度所带来的随机激振的作用，确保车桥应力达标的同时，车桥的固有频率也能避开行驶过程中的激振频率，避免共振的发生；电测试验、疲劳台架试验以及有限元疲劳分析的作用在于检测评估车架结构在极限条件下的应力情况以及疲劳强度，保证车桥结构在长时间工作情况下具有较高的安全性能。
综上所述，乘用车车桥结构设计方法通过以典型乘用车车桥结构为参照进行设计，结合有限元分析、电测试验以及疲劳台架试验，完成乘用车车桥结构的设计，具有步骤简单、全面性强、可靠性强的特点，为乘用车车桥结构的设计提供理论依据。
附图说明
图1为本发明乘用车车桥结构设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
本实施例乘用车车桥结构设计方法步骤如下：
A1、建立乘用车车桥典型车桥结构模型，并设定附加材料属性、参数、载荷、约束条件；
A2、对各典型车桥结构模型进行在扭转工况下的有限元静力分析与有限元模态响应分析，得到各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型；
B、根据各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型进行组合优化，选取各典型车桥结构模型中的优势部位进行组合，得到设计车桥结构模型，对设计车桥结构模型重复步骤A的分析处理，得到设计车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型；
C1、将设计车桥结构制成实体，对车桥结构实体应力较大的部分即测点使用砂轮进行打磨，将测点表面油漆打磨掉，露出金属，并用砂纸进行打磨，使测点表面处更加光滑；
C2、打磨完成后，用沾有丙酮的脱脂棉对测点处进行擦拭，然后在测点处粘贴应变片，过桥，并使用电烙铁将应变片—过桥—测试电线三者焊接起来；
C3、将测试电线的另一端连接到应变测试仪上，将车桥安装在台架试验台上，开始测试，对车桥施加正负50mm的强迫位移，采集数据；
D、导入有限元模型及应力结果，设置车桥扭转工况疲劳载荷、材料的疲劳特性；进行疲劳分析求解，获得寿命结果云图，从而获得疲劳实验结果；
E、将车桥结构实体安装在疲劳台架试验台上，模拟车桥扭转工况，对实体两端施加正负50mm的极限强迫位移，反复进行多次循环，直到实体发生断裂破坏，记录扭转次数；
F、综合分析有限元计算结果、电测试验、疲劳实验数据，若设计车桥结构所受最大应力小于材料抗拉强度，扭转次数在标准范围内，则该设计车桥结构符合质量要求；若数据不满足相关要求，则对车桥进行结构改进，所述结构改进包括增加材料厚度、局部采用圆角过渡。
下面结合实施例具体说明本发明乘用车车桥结构设计方法：
1、利用UG建立4种典型乘用车典型车桥结构模型；
2、利用Hypermesh导入各参考模型，并划分网格，网格大小为5mm；并对网格质量进行检查；
3、对参考模型进行模拟焊接与螺栓连接；
4、对附加材料属性进行设定：各车桥所用材料为20号钢, 其出厂状态下的屈服应力为220Mpa，最小抗拉强度为360Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，泊松比为0.3，密度为7.8g/cm3，命名为M1； 
5、建立属性组：在properties中，type选择2D,card image选择PSHELL,materials选择所建的材料M1，在编辑中下的T中输入车桥各部件的厚度值；
6、模型修正：在tool的子单元中，应用faces和normals检查有限元模型是否存在重复面以及法线是否一致，对出现的不一致情况进行修正；
7、施加边界条件及载荷分布
   约束套筒x，y，z方向平动自由度，约束弹簧上方所有自由度，两端分别施加正负各50mm的强迫位移，建立车桥扭转工况；
8、有限元静力分析:利用上述步骤建立的各典型车桥结构模型，分别进行有限元静力分析，得到各典型车桥结构模型的应力云图；
9、模态响应分析：利用上述步骤建立的各典型车桥结构模型，分别进行模态响应分析，得到各典型车桥结构模型的模态参数即固有频率和振型，；
10、根据各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型进行组合设计，即选取各典型车桥结构模型中的优势部位进行组合，得到设计车桥结构模型；
11、对设计车桥结构模型进行步骤7~9的有限元分析，得到设计车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型；
12、将设计车桥结构模型的应力云图的应力较大区域定为电测区域，对电测区域的测点使用砂轮进行打磨，将应力较大的部分的表面油漆打磨掉，露出金属，并用砂纸进行打磨，使测点表面处更加光滑；打磨完成后，用沾有丙酮的脱脂棉对测点处进行擦拭，然后在测点处粘贴应变片，过桥，并使用电烙铁将应变片—过桥—测试电线三者焊接起来；将测试电线的另一端连接到应变测试仪上，将车桥安装在台架试验台上，开始测试，对车桥施加正负50mm的强迫位移，采集数据；
13、将设计车桥结构模型导入软件Patran，利用其疲劳模块对设计车桥结构模型进行疲劳分析，设置材料疲劳参数，其中最小抗拉强度为360Mpa，弹性模量2.1×105Mpa，设置载荷的时间历程为幅值为1的正弦曲线，求解得到寿命结果云图；
14、将车桥结构模型实体安装于台架上，对实体两端施加正负50mm的强迫位移，直到车桥发生断裂破坏，记录扭转次数；
15、综合分析有限元计算结果、电测试验、疲劳实验数据，设计车桥结构所受最大应力小于材料抗拉强度，扭转次数在标准范围内，该设计车桥结构符合质量要求。

Claims (7)

1.一种乘用车车桥结构设计方法，其特征在于包括以下步骤：
A、对目前现有典型车桥结构进行CAE分析；
B、将各典型车桥结构的CAE分析结果进行对比，比较各典型车桥结构上的优缺点，将各个优势的部分进行组合优化设计，获得设计车桥结构；对设计车桥结构进行CAE分析，找出其中应力较大的部分；
C、将设计车桥结构制成实体，对其应力较大的部分进行应力应变电测实验，得出设计车桥结构实体电测实验结果；
D、对设计车桥结构进行有限元疲劳分析，得出有限元疲劳分析结果；
E、对设计车桥结构实体进行疲劳台架试验，得出设计车桥结构实体的疲劳试验结果；
F、对设计车桥结构的CAE分析结果和有限元疲劳分析结果与电测实验结果和疲劳实验结果进行对比分析；若各项数据在质量要求范围内，则该车桥结构模型满足质量要求；反之，则对设计车桥进行结构改进。
2.如权利要求1所述的乘用车车桥结构设计方法，其特征在于：
所述步骤A具体过程如下：
A1、建立乘用车车桥典型车桥结构模型，并设定附加材料属性、参数、载荷、约束条件；
A2、对各典型车桥结构模型进行在扭转工况下的有限元静力分析与有限元模态响应分析，得到各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型。
3.如权利要求1所述的乘用车车桥结构设计方法，其特征在于：
所述步骤B具体过程如下：
根据各典型车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型进行组合优化，选取各典型车桥结构模型中的优势部位进行组合，得到设计车桥结构模型，对设计车桥结构模型重复步骤A的分析处理，得到设计车桥结构模型的应力云图、固有频率和振型。
4.如权利要求1所述的乘用车车桥结构设计方法，其特征在于：
所述步骤C具体过程如下：
C1、将设计车桥结构制成实体，对车桥结构实体应力较大的部分进行电测实验，对测点使用砂轮进行打磨，将测点表面油漆打磨掉，露出金属，并用砂纸进行打磨，使测点表面处更加光滑；
C2、打磨完成后，用沾有丙酮的脱脂棉对测点处进行擦拭，然后在测点处粘贴应变片，过桥，并使用电烙铁将应变片—过桥—测试电线三者焊接起来；
C3、将测试电线的另一端连接到应变测试仪上，将车桥安装在台架试验台上，开始测试，对车桥施加正负50mm的强迫位移，采集数据。
5.如权利要求1所述的乘用车车桥结构设计方法，其特征在于：
所述步骤D具体过程如下：
导入有限元模型及应力结果，设置车桥扭转工况疲劳载荷、材料的疲劳特性；进行疲劳分析求解，获得寿命结果云图，从而获得疲劳实验结果。
6.如权利要求1所述的乘用车车桥结构设计方法，其特征在于：
所述步骤E具体过程如下：
将车桥结构实体安装在疲劳台架试验台上，模拟车桥扭转工况，对实体两端施加正负50mm的极限强迫位移，反复进行多次循环，直到实体发生断裂破坏，记录扭转次数。
7.如权利要求1所述的乘用车车桥结构设计方法，其特征在于：
所述步骤F具体过程如下：
综合分析有限元计算结果、电测试验、疲劳实验数据，若设计车桥结构所受最大应力小于材料抗拉强度，扭转次数在标准范围内，则该设计车桥结构符合质量要求；若数据不满足相关要求，则对车桥进行结构改进，所述结构改进包括增加材料厚度、局部采用圆角。
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