基于强度变化特征的汽车结构件轻量化设计方法

;提出一种获得结构有限寿命的轻量化设计方法.该方法以结构强度变化特性为基础,以结构强度试验结果为依据,动态强度方程为指导,结构临界载荷为目标,提高设计应力为核心,借助有限元分析实现汽车结构件减重设计.应用此方法对某国产载货车前桥进行减重设计,通过设计该前桥的危险断面,减小前桥的横断面尺寸,降低该前桥的临界载荷,使试验应力提高到能对前桥结构造成强化锻炼的区域.台架疲劳试验表明,虽然每台减轻质量5.5 kg,减重后的前桥仍能达到相关标准要求.这种方法比目前广为采用的以有限元分析和许用应力为基础的无限寿命轻量化设计方法更能充分发挥材料的强度潜力,因而可以在更深层次上实现结构的轻量化.基于强度变化特征的汽车结构轻量化对目前世界上日益强调的汽车轻量化具有重要的学术价值和指导意义.对基于强度变化特征的汽车结构件轻量化设计方法进一步改进和完善后,在其他工程领域也将具有重要的应用和参考价值.     

低载强化特性在汽车结构件设计中的应用

提出了一种汽车结构件的设计方法。该方法以材料和结构件的低载强化特性为依据，以经低应力载荷强化后的材料或结构件的疲劳极限提高的最大临界载荷为目标，以提高可承受的使用应力为核心，在保证汽车使用性能的前提下，充分发挥结构的强度潜力，实现在减轻质量的同时降低成本的汽车轻量化设计，同时也为其它车辆和机械的结构轻量化设计提供了技术参考。     

一个非线性强度退化模型

从疲劳过程本质上是材料静强度不断退化的过程的观点出发，建立了一个非线性的，连续性强度退化模型，该模型的参数可由Ｓ－Ｎ曲线来确定。将模型应用于两级及多级载荷下剩余寿命估算，并用１６Ｍｎ钢进行了试验验证，结果表明可以较准确地估算两级及多级载荷下的疲劳寿命。     

基于二次优化的商用车前桥轻量化

基于某型商用车前桥,提出了一种基于二次优化思想的轻量化设计方法。建立了该前桥有限元模型并进行仿真分析,结合疲劳耐久试验探究前桥真实载荷情况,验证了有限元模型的准确性。对前桥真实材料进行静载拉伸、弯曲疲劳试验,获得热处理后前桥材料的力学性能指标作为轻量化参考。前桥整体模型进行拓扑优化后基于力学模型进行二次优化,保证前桥结构满足强度、刚度和服役寿命的前提下,实现轻量化设计。最终总质量减少5.7 kg,达到轻量化设计目标。     

考虑正面碰撞特性汽车前纵梁轻量化设计分析

前纵梁承载和吸收车辆正面碰撞的能量，保证安全性的前提下，可以通过厚度减薄实现轻量化。针对前纵梁的结构特点，采用强度等效减薄理论开展轻量化设计；在分析传统强度等效减薄公式的基础上，考虑材料变化后，相关的参数因素、残余应力、尺寸偏差和屈强比因素的影响，对公式进行修正；对某车型前纵梁开展优化设计，材料由DP590提升为DP780；对优化后的成形工艺进行分析；根据C-NACP正面碰撞要求，建立前纵梁总成碰撞分析模型，获取总吸能和承载力参数变化，并采用整车正面碰撞对比分析，以验证优化后零件的碰撞安全性。结果可知：根据修正公式，厚度由1.6mm减薄至1.4mm，实现轻量化减重12.5%；轻量化后，总成的能量吸收有较大提升；结构的最大承载力由346kN降低到322kN，降低了7.45%，表明整个过程的载荷呈现变缓的趋势，对于乘员保护是有利的；试验与模型分析结果对比，侵入量最大值分别为159.56mm和166.73mm，误差为4.5%，基本一致，表明结果的可靠性。分析结果表明修正强度等效减薄公式是有效的，为此类设计研究提供重要参考。     

机车车辆轴箱结构静强度与模态分析

强度性能是评价机车车辆结构性能的主要依据之一,对于新设计的轴箱结构,必须确保其在运用载荷作用下具有足够的承载能力,保证其在使用期间内的安全性和可靠性;轴箱在进行轻量化设计后,整体刚度有所降低,振动加剧,模态分析有助于了解轴箱的振动特性。利用有限元分析软件ANSYS对某型转向架轴箱进行了静强度和模态分析,为其综合强度性能评定提供依据。     

风电机组主轴疲劳强度优化

利用有限元模型分析,并根据轮毂中心处的极限载荷和疲劳时序载荷计算2. 5 MW风力发电机组主轴静强度和疲劳损伤强度,结果显示主轴的疲劳强度需要提高,基于结构刚度协调性开展优化设计研究,在保证主轴满足强度要求的同时,实现了轻量化设计。     

基于静动力学的船用齿轮箱焊接箱体轻量化

利用齿轮箱系统分析软件MASTA和大型通用CAE软件MSC Patran&Nastran,建立船用齿轮箱啮合分析模型和箱体有限元模型,分析对比多工况下齿轮箱箱体载荷,并进行结构效能分析评价.基于应力场平衡原理,结合强度和刚度的约束,以减少冗余材料为目标,设计箱体的轻量化结构,通过对轻量化箱体的模态分析,避免了齿轮箱系统...     

巴哈赛车合成材料轻量化车架设计

赛车车架作为整车的基础,用于承载各种内外载荷,并连接各零部件总成,因此要求具有足够的刚度和强度,通过材料选择和加工实现轻量化。根据现场实际情况和赛规要求,论文采用三维设计软件UG进行三维模型设计,选择合成材料进行力学分析,设计出一款合成材料轻量化的赛车车架。利用ANSYS Workbench做强度仿真和优化设计,在保证强度的基础上实现轻量化设计,结合人机工程学设计理念,满足舒适性要求。     

基于等刚度条件的薄壁结构的一种材料替代轻量化设计分析方法

通过对板壳结构有限单元的弯曲应变能和膜应变能进行分析,得到一个采用不同材料的薄壁结构的刚度之间的近似解析关系式。将其与结构刚度的有限元计算分析过程相结合,提出一种不同材料但等刚度的薄壁结构的迭代设计方法和材料替代轻量化分析方法。分析得到的薄壁结构关于板壳的弯曲应变能占总的应变能的比例  的等刚度曲线,可用于直观地评价材料替代得到的等刚度结构的轻量化效果,可指导薄壁结构的轻量化设计。分析表明,材料替代对薄壁结构刚度的影响不仅与材料的弹性特性和板壳厚度相关,还与给定载荷下结构的  参数相关。对于铝板替代钢板的薄壁结构设计问题, 越高,则等刚度铝板结构的轻量化效果越明显。通过对一个悬臂薄壁钢板曲梁结构和一个典型车身接头结构的材料替代设计和轻量化分析,验证了提出的设计、分析方法的有效性和结论的正确性。     

高强度圆柱齿轮S-N曲线转折点循环数N0的初步研究

零件的S—N曲线转折点循环数N0是零件疲劳强度评价和设计的一个重要参数。现有试验表明，材料的S—N曲线转折点循环数N0和零件的S—N曲线的N0值相差不大，可用材料的S—N曲线的N0值代替零件的S—N曲线的N0值。对高强度圆柱齿轮单齿的弯曲疲劳S—N曲线进行试验研究，得到了高强度齿轮的S—N曲线转折点循环数N0，结果表明，高强度齿轮的S—N曲线的N0值远远小于其材料的S—N曲线的N0值，不能用材料的S—N曲线的N0值代替零件的S—N曲线的N0值。从微观组织上初步解释了高强度齿轮的S—N曲线的N0值远小于材料的S—N曲线的N0值的原因。     

Fatigue life analysis of wheels on guideway vehicle using multibody dynamics

A guideway vehicle is used in automobile, semiconductor and LCD manufacturing industries to transport products efficiently. Since the operating speed of the guideway vehicle should be increased for maximum productivity, the weight of the vehicle has to be reduced, and this weight reduction may cause a failure of a part in the system. Therefore, the estimation of the fatigue life of the parts becomes an important problem. In this study, the fatigue life of the wheels in the guideway vehicle is estimated using an S-N curve. To obtain the fatigue life of a part, the S-N curve, the dynamic stress time history applied to the part, and the material property of the part are required. The S-N curve of the driving wheel is obtained from the fatigue experiment on wheels. To obtain the material properties of the driving wheel, which is composed of aluminum with urethane coating, the result of a compression hardware test and static analysis of the wheel’s FE model are used. The dynamic stress time history influencing the driving wheel can be obtained from linear superposition of the dynamic load time history and the static stress. The dynamic load time history is estimated by multibody dynamic analysis, and the static stress is obtained by finite element analysis.     

超声疲劳试验方法在40Cr钢疲劳性能研究中的应用

用超声疲劳试验方法(频率为20kHz)测定40Cr钢在10^5～10^10周次范围内的疲劳寿命(S-N)曲线。结果表明，40Cr钢的疲劳寿命(SN)曲线在10^5～10^10周次范围内始终保持下降趋势，在l0^5周次以上没有水平段。超高频疲劳载荷下的S-N曲线同样能用Basquin关系式描述。与常规频率下的疲劳性能相比，高频载荷下的疲劳强度增加。20kHz循环载荷下，40Cr钢10^7周次的疲劳强度为443MPa，10^10周次时为235MPa。     

受疲劳损伤材料的持久极限的变化

基于材料的S－N曲线，对材料在交变应力作用下受损、承载能力下降的过程进行讨论，给出计算受损材料持久极限的公式。公式型简洁，可以方便地作出受损材料的S－N曲线，并进行疲劳强度计算。公式很好地揭示了应力水平略低于材料持久极限的应力循环对材料寿命的影响。     

高速工具钢的超长寿命S-N曲线特征和内部裂纹萌生行为

为了研究高速工具钢超长寿命S-N曲线特征和内部裂纹萌生行为,使用沙漏形状试样在室温空气环境下进行旋转弯曲的疲劳试验。结果表明,材料的S-N曲线均由表面裂纹萌生型和内部裂纹萌生型组成。表面裂纹萌生型的S-N曲线位于高应力幅短寿命区,内部裂纹萌生型的S-N曲线位于低应力幅长寿命区。前者的S-N曲线向后者的转移几乎是连续的,回火温度对疲劳强度和寿命没有明显的影响。分别使用扫描电子显微镜、扫描探针显微镜和电子探针X射线微区分析仪对内部裂纹萌生位置和材料组织进行对比观察,在萌生内部裂纹的夹杂物周围存在一个颗粒区域,该区域内凸起的颗粒是组织中的球形碳化物。颗粒区是在内部裂纹扩展的应力强度因子门槛值范围以下形成的,对超长寿命疲劳起着重要的作用。     

机械零件疲劳强度衰减的模糊可靠性计算

以模糊数学为基础，应用材料疲劳损伤累积理论，讨论机械零件疲劳强度模糊可靠性设计中的强度衰减问题，并给出了估算公式，进行了实例计算。     

Unified Principal S-N Equation for Friction Stir Welding of 5083 and 6061 Aluminum Alloys

With the popularization of friction stir welding(FSW),5083-H321 and 6061-T6 aluminum alloy materials are widely used during the FSW process.In this study,the fatigue life of friction stir welding with two materials,i.e.,5083-H321 and 6061-T6 aluminum alloy,are studied.Fatigue tests were carried out on the base metal of these two materials as well as on the butt joints and overlapping FSW samples.The principle of the equivalent structural stress method is used to analyze the FSW test data of these two materials.The fatigue resistances of these two materials were com-pared and a unified principal S-N curve equation was fitted.Two key parameters of the unified principal S-N curve obtained by fitting,Cd is 4222.5,and h is 0.2693.A new method for an FSW fatigue life assessment was developed in this study and can be used to calculate the fatigue life of different welding forms with a single S-N curve.Two main fatigue tests of bending and tension were used to verify the unified principal S-N curve equation.The results show that the fatigue life calculated by the unified mean 50％master S-N curve parameters are the closest to the fatigue test results.The reliability,practicability,and generality of the master S-N curve fitting parameters were verified using the test data.The unified principal S-N curve acquired in this study can not only be used in aluminum alloy materials but can also be applied to other materials.     

某无人直升机桨毂高周疲劳寿命计算

桨毂是直升机的关键件,其寿命直接关系到直升机的寿命。基于ANSYS软件,计算某无人直升机桨毂在一次飞行任务中各组载荷下的应力水平,以Lagrange插值法拟合材料手册中S-N曲线,得到桨毂在每组应力水平下的疲劳寿命循环数,再根据Miner损伤累积理论,计算桨毂在该飞行任务时的可用小时数。将上述算法,编译生成可执行文件,实现桨毂寿命计算的自动化。     

随机载荷作用下微车车身结构疲劳寿命仿真分析

以微型车车身结构为研究对象,合理简化结构后建立车身有限元模型,确定载荷形式后,对车身进行静应力分析。以应力分析计算结果为基础,在动力学软件中计算获取车身承受的随机载荷,结合材料的S-N曲线和线性累积损伤理论,运用Goodman平均应力修正法,对车体进行全寿命疲劳分析,根据车身疲劳分析结果可知,该微型车车身结构疲劳寿命满足强度和疲劳性能要求。     

机械零件疲劳强度衰减的模糊可靠性计算

以模糊数学为基础,应用材料疲劳损伤累积理论,讨论机械零件疲劳强度模糊可靠性设计中的强度衰减问题,并给出了估算公式,进行了实例计算。