CN117272722A - 一种基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于方向盘骨架轻量化研究技术领域，特别涉及一种基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法，包括如下步骤：S1、对镁合金样件进行力学试验获取镁合金的名义弹塑性属性，利用真实应力、应变与名义应力应变关系，将弹塑性参数转换为镁合金真实的应力应变材料参数；S2、采用有限元技术对镁合金方向盘平行弯曲、单侧弯曲、扭转、冲击拉伸四种工况的刚度和强度分析对比；S3、针对多种结构设计方案，经过一轮分析获取较优的结构，对较优结构存在的刚强不足进行局部优化，并再次进行步骤S2中的强度和刚度分析验证，获取最优方案；S4、结合疲劳强度对最优的方向盘的力学性能进行综合评价，验证最优设计方案。
Description
技术领域
本发明属于方向盘骨架轻量化研究技术领域，特别涉及一种基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法。
背景技术
方向盘作为人控制汽车直接接触的重要零件，其舒适性和结构可靠性直接影响了对整车的性能的评价。镁合金作为高性能轻型结构材料，比重与塑料相近，刚度、强度不亚于铝，其密度只有1.7kg·m-3，是铝的2/3，钢的1/4，强度高于铝合金和钢，比刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷，具有良好的阻尼系数，减震量大于铝合金和铸铁。随着汽车轻量化的应用，镁合金应用与汽车方向盘也日渐普及。相对以往的钢材汽车方向盘，镁合金方向盘具有质量轻、较高的力学性能等优点。目前，针对方向盘轻量化研究大多偏向结构，针对镁合金材料的研究，多停留在其铸造工艺方面，对于已成型方向盘骨架的结构形式及其力学性能可参考的研究文献较少。因此，针对采用镁合金材料实现方向盘的轻量化的研究意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法，包括如下步骤：
S1、首先，对镁合金样件进行力学试验获取镁合金的名义弹塑性属性，利用真实应力、应变与名义应力应变关系，将弹塑性参数转换为镁合金真实的应力应变材料参数；
S2、采用有限元技术对镁合金方向盘平行弯曲、单侧弯曲、扭转、冲击拉伸四种工况的刚度和强度分析对比；
在平行弯曲工况下存在两个等级的评判标准：(1)1960N时无断裂、破坏和(2)980N时变形量≤25mm，永久变形量≤3mm；
在单侧弯曲工况下存在三个等级的评判标准：(1)1176N时无断裂、破坏；(2)784N时变形量≤50mm；(3)392N时变形量≤25mm，永久变形量≤10mm；
在扭转工况下存在两个等级的评判标准：(1)3038N时无断裂、破坏；(2)980N时变形量≤25mm，永久变形量≤10mm；
在冲击拉伸工况下存在一个等级评判标准：(1)1470N下，无断裂破坏；
S3、针对多种结构设计方案，经过一轮分析获取较优的结构，对较优结构存在的刚强不足进行局部优化，并再次进行步骤S2中的强度和刚度分析验证，获取最优方案；
S4、结合疲劳强度对最优的方向盘的力学性能进行综合评价，验证最优设计方案；
(1)方向盘弯曲疲劳强度校核工况标准：实验负荷为±225N，频率为1Hz的正弦波加载，实验次数为8万次，无破裂损坏；
(2)方向盘扭转疲劳强度校核工况标准：实验负荷为±200N，频率为1Hz的正弦波加载，实验次数为8万次，无破裂损坏。
进一步的，所述步骤S1包括如下步骤：
(1)建立有限元模型
利用SpaceCliam软件清理汽车方向盘的三维数据的局部细小特征，采用C3D10M网格即二阶四面体修正网格进行有限元网格划分；
(2)材料测试数据处理
通过实验测试获得镁合金方向盘材料力学性能数据，得到名义应力应变曲线；根据以下公式对镁合金材料测试应力应变数据进行换算，得到材料的真实应力应变数据，作为Abaqus弹塑性分析的材料输入；
塑性应变εp，弹性应变εe与真实应变εtrue三者之间的转换关系式:
真实应力、应变与名义应力、应变换算公式：
εture＝ln(1+εnom) (2)
σture＝σnomln(1+εnom) (3)
其中，εtrue为真实应变，εnom为名义应变，σtrue为真实应力，σnom为名义应力。进一步的，所述步骤S2包括如下步骤：
利用Abaqus模拟方向盘各工况的受力与变形情况，设置材料的弹塑性属性，同时模拟加载和卸载过程；加载卸载过程通过创建两个分析步来模拟，其中加载分析步的最后一个迭代步结果为最大加载状态，卸载分析步的最后一个迭代步的结果为永久变形状态；基于以上仿真思路，进行方向盘经过四种工况的校核分析。
进一步的，所述步骤S4包括如下步骤：
采用Abaqus计算获取方向盘的应力场模型，通过Fesafe软件将应力场与正弦载荷的叠加，结合镁合金材料EN曲线计算方向盘的疲劳寿命；在Abaqus计算模型中进行弹塑性分析，Fesafe采用应变疲劳NormalStrain算法，如式(4)；采用Morrow平均应力修正，如式(5)；
其中，Δε为应变幅值，σ′f为应力疲劳强度系数，E为弹性模量，Nf为循环次数，b为应力疲劳强度指数，ε′f为应变疲劳强度系数，c为应变疲劳强度指数，σm为平均应力。
本发明的有益技术效果：
本发明主要针对镁合金材料方向盘实现轻量化设计，对镁合金方向盘的刚度、强度、疲劳耐久三个方面进行校核；通过第一轮的校核获取方向盘的初步设计方案，针对第一轮的计算结果对方向盘进行优化，对优化后的结构方案进行校核，选出能够满足设计要求的结构，并对该方案进行疲劳分析。整个分析流程在产品开发初期帮助设计人员在短时间内设计出最优设计方案，同时在产品开模前，实现对产品的寿命预估，节省开发成本。本发明所用的标准中的具体的载荷值是载货车根据驾驶员使用方向盘时，各种极限工况所对应的力或力矩获得。变形根据极限工况下所要求的强度和刚度条件确定。
附图说明
图1为实施例中的优化前的方向盘1(a)和方向盘2(b)的示意图；
图2为方向盘1和方向盘2的差异对比图；
图3为方向盘网格模型；
图4为镁合金实测应力应变曲线；
图5为单侧弯曲工况1176N状态下应力结果；
图6为扭转工况3038N状态下应力结果
图7为优化后的方向盘3的示意图；
图8为优化后的方向盘4的示意图；
图9为镁合金EN曲线；
图10为方向盘4的弯曲疲劳强度计算结果图；
图11为方向盘4的扭转疲劳强度计算结果图；
图12为平行弯曲工况示意图；
图13为单侧弯曲工况示意图；
图14为扭转工况示意图；
图15为冲击拉伸工况示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法做出详细说明。
本实施例采用Abaqus和Fesafe对镁合金方向盘的强度、刚度和疲劳耐久进行综合分析。通过对比第一轮的两种设计方案的计算结果，对方向盘结构进行改进设计，再次对优化后的两种方案进行对比分析，选出最优设计方案，为镁合金方向盘的结构设计提供参考。
本实施例的具体步骤如下所述：
1、有限元模型的建立
利用SpaceCliam软件清理汽车方向盘的三维数据的局部细小特征，优化前的方向盘1和方向盘2如图1中a、b所示，两种方案的差异对比图如图2所示。
利用Hypermesh软件对几何清理后方向盘进行有限元网格划分，方向盘的几何较为复杂，采用六面体网格划分困难，故采用四面体网格进行划分，为提高有限元计算精度采用C3D10M网格(二阶四面体修正网格)。在进行弹塑性分析时，需考虑方向盘应力和变形情况，为避免集中载荷加载时，引起数值计算误差，加载区域采用刚性耦合单元。方向盘有限元模型如图3所示。
1.1、材料测试数据处理
镁合金方向盘材料力学性能通过实验测试获得，其名义应力应变曲线如图4所示。
塑性应变εp，弹性应变εe与真实应变εtrue三者之间的转换关系式:
真实应力、应变与名义应力、应变换算公式：
εture＝ln(1+εnom) (2)
σture＝σnomln(1+εnom) (3)
其中，εtrue为真实应变，εnom为名义应变，σtrue为真实应力，σnom为名义应力。
根据以上公式对镁合金材料测试应力应变数据进行换算，得到材料的真实应力应变数据，作为Abaqus弹塑性分析的材料输入，换算后的数据如表1和表2所示。
表1 Abaqus拟合弹性属性
| 弹性模量/MPa | 38000 |
| 泊松比 | 0.35 |
表2 Abaqus拟合塑形属性
| 真实应力/MPa | 真实塑性应变 |
| 140.00000 | 0.00000 |
| 157.95769 | 0.00965 |
| 166.30478 | 0.01478 |
| 180.12594 | 0.02460 |
| 194.46747 | 0.03512 |
| 207.45591 | 0.04521 |
| 220.77557 | 0.05711 |
| 235.46288 | 0.07334 |
| 248.10000 | 0.09348 |
1.2、刚度和强度校核工况
设计以下三项校核工况：平行弯曲、单侧弯曲、扭转。研究对象为大型商用车方向盘，考虑驾驶人员上车时习惯性拉拽方向盘借力登车，故增加第四项校核工况——冲击拉伸，用以模拟以上情形。所有加载工况如表3所示。
表3方向盘刚度和强度校核工况
1.3、有限元计算结果
用Abaqus模拟方向盘各工况的受力与变形情况，不仅需要设置材料的弹塑性属性，同时需要模拟加载和卸载过程。其中加载和卸载过程可在Abaqus中通过一个静力学分析步外加幅值曲线组合模拟，或者通过创建两个静力学分析步分别模拟加载与卸载。加载卸载过程通过创建两个分析步来模拟，其中加载分析步的最后一个迭代步结果为最大加载状态，卸载分析步的最后一个迭代步的结果为永久变形状态。基于以上仿真思路，方向盘经过四种工况的校核分析，计算结果对比如表4所示。
表4方向盘刚度和强度校核结果对比
对比上述分析结果，平行弯曲工况：1960N加载状态，两种方案的方向盘最大应力均低于镁合金的许用抗拉极限248.1Mpa，980N加载状态，最大变形量和永久变形量均满足设计要求；单侧弯曲工况：1176N加载状态两种方案的方向盘最大应力均超过镁合金的许用抗拉极限248.1MPa，存在断裂破坏风险，计算结果如图5中a、b所示，784N与392N加载状态最大变形量不能满足设计要求；扭转工况：3038N加载状态的两种方案的方向盘最大应力均超过镁合金的许用抗拉极限248.1MPa，存在断裂破坏风险，计算结果如图6中a、b所示。980N加载与卸载状态产生的最大变形量与永久变形量均满足设计要求；冲击拉伸工况：两种方案的方向盘最大应力均低于镁合金的许用抗拉极限248.1MPa。
2、方向盘优化设计方案
针对前期的方案分析，方向盘2的结果优于方向盘1，为满足各工况的可靠性要求，在方向盘2的基础上进行优化设计，修改区域如下：
(1)方向盘3：在方向盘2的基础上，将轮辐与法兰连接部位重新设计，方向盘轮辐内外倒角加大到R4，如图7所示。
(2)方向盘4：在方向盘3的基础上，增加轮辐的加强筋，如图8所示。
2.1、优化后的计算结果对比
优化后两种设计方案的方向盘经过四种工况的校核分析，计算结果对比如表5所示。
表5方向盘刚度和强度校核结果对比
上述有限元分析结果表明，方向盘的两种优化设计方案能够满足四种工况的所有评价指标，且优于原设计方案。对比方向盘3和方向盘4的力学性能，方向盘4力学性能较好。
3、疲劳强度校核
经过上述方向盘刚度和强度分析，方向盘4整体力学性能优越。以下疲劳分析的研究对象选择方向盘4。疲劳强度校核按照以下标准进行；
(1)实验负荷为±225N，频率为1Hz的正弦波加载，实验次数为8万次，无破裂损坏。
(2)实验负荷为±200N，频率为1Hz的正弦波加载，实验次数为8万次，无破裂损坏。
采用Abaqus计算获取方向盘的应力场模型，通过Fesafe软件将应力场与正弦载荷的叠加，结合镁合金材料EN曲线计算方向盘的疲劳寿命，如图9所示。在Abaqus计算模型中进行弹塑性分析，Fesafe采用应变疲劳NormalStrain算法，如式(4)。采用Morrow平均应力修正，如式(5)。
其中，Δε为应变幅值，σ′f为应力疲劳强度系数，E为弹性模量，Nf为循环次数，b为应力疲劳强度指数，ε′f为应变疲劳强度系数，c为应变疲劳强度指数，σm为平均应力。
汽车方向盘的弯曲疲劳强度计算结果如图10所示，该图反应了汽车方向盘在±225N的作用下，以该工况循环80000次为目标设计寿命的疲劳强度安全因子(FOS)。图中最小强度因子为3.219，主要集中在轮辐区域。
汽车方向盘的扭转疲劳强度计算结果如图11所示，该图反应了汽车方向盘在±200N的作用下，以该工况循环80000次为目标设计寿命疲劳强度安全因子(FOS)。图中最小强度因子为1.313，主要集中在轮辐区域。
结合疲劳计算结果，弯曲与扭转工况下，两种工况的疲劳强度安全因子较小的区域主要集中在轮辐过度区域，该区域安全因子值均大于设计寿命要求，能够满足目标设计寿命。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、首先，对镁合金样件进行力学试验获取镁合金的名义弹塑性属性，利用真实应力应变与名义应力应变关系，将弹塑性参数转换为镁合金真实应力应变材料参数；
S2、采用有限元技术对镁合金方向盘平行弯曲、单侧弯曲、扭转、冲击拉伸四种工况的刚度和强度分析对比；
在平行弯曲工况下存在两个等级的评判标准：(1)1960N时无断裂、破坏和(2)980N时变形量≤25mm，永久变形量≤3mm；
在单侧弯曲工况下存在三个等级的评判标准：(1)1176N时无断裂、破坏；(2)784N时变形量≤50mm；(3)392N时变形量≤25mm，永久变形量≤10mm；
在扭转工况下存在两个等级的评判标准：(1)3038N时无断裂、破坏；(2)980N时变形量≤25mm，永久变形量≤10mm
在冲击拉伸工况下存在一个评判标准：(1)1470N下，无断裂破坏；
S3、针对多种结构设计方案，经过一轮分析获取较优的结构，对较优结构存在的刚强度不足进行局部优化，并再次进行步骤S2中的强度和刚度分析验证，获取最优方案；
S4、结合疲劳强度对最优的方向盘的力学性能进行综合评价，验证最优设计方案；
(1)方向盘弯曲疲劳强度校核工况标准：实验负荷为±225N，频率为1Hz的正弦波加载，实验次数为8万次，无破裂损坏；
(2)方向盘扭转疲劳强度校核工况标准：实验负荷为±200N，频率为1Hz的正弦波加载，实验次数为8万次，无破裂损坏。
2.根据权利要求1所述的基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法，其特征在于：
所述步骤S1包括如下步骤：
(1)建立有限元模型
利用SpaceCliam软件清理汽车方向盘的三维数据的局部细小特征，采用C3D10M网格即二阶四面体修正网格进行有限元网格划分；
(2)材料测试数据处理
通过实验测试获得镁合金方向盘材料力学性能数据，得到名义应力应变曲线；根据以下公式对镁合金材料测试应力应变数据进行换算，得到材料的真实应力应变数据，作为Abaqus弹塑性分析的材料输入；
塑性应变εp，弹性应变εe与真实应变εtrue三者之间的转换关系式:
真实应力、应变与名义应力、应变换算公式：
εture＝ln(1+εnom) (2)
σture＝σnomln(1+εnom) (3)
其中，εtrue为真实应变，εnom为名义应变，σtrue为真实应力，σnom为名义应力。
3.根据权利要求1所述的基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法，其特征在于：
所述步骤S2包括如下步骤：
利用Abaqus模拟方向盘各工况的受力与变形情况，设置材料的弹塑性属性，同时模拟加载和卸载过程；加载卸载过程通过创建两个分析步来模拟，其中加载分析步的最后一个迭代步结果为最大加载状态，卸载分析步的最后一个迭代步的结果为永久变形状态；基于以上仿真思路，进行方向盘经过四种工况的校核分析。
4.根据权利要求1所述的基于镁合金方向盘力学性能研究标准及方法，其特征在于：
所述步骤S4包括如下步骤：
采用Abaqus计算获取方向盘的应力场模型，通过Fesafe软件将应力场与正弦载荷的叠加，结合镁合金材料EN曲线计算方向盘的疲劳寿命；在Abaqus计算模型中进行弹塑性分析，Fesafe采用应变疲劳NormalStrain算法，如式(4)；采用Morrow平均应力修正，如式(5)；
其中，Δε为应变幅值，σ′f为应力疲劳强度系数，E为弹性模量，Nf为循环次数，b为应力疲劳强度指数，ε′f为应变疲劳强度系数，c为应变疲劳强度指数，σm为平均应力。
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