【摘要】：汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的重要技術(shù)手段,能有效地降低傳統(tǒng)燃油汽車(chē)的油耗和增加新能源汽車(chē)的續(xù)航里程。研究表明,每當(dāng)汽車(chē)的自身重量減少10%,汽車(chē)的燃油消耗可以降低6-8%,對(duì)應(yīng)的排放量下降4%。離合器殼體是變速箱殼體中較重零部件之一,對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)是非常有必要的。相比離合器殼體原來(lái)所使用材料鑄鐵,現(xiàn)所使用材料鑄鋁減重比例達(dá)到62.5%。由于長(zhǎng)纖維熱塑性復(fù)合材料具有易成型、制造效率高、成本低和易回收等優(yōu)點(diǎn),熱塑性復(fù)合材料在離合器殼體上的應(yīng)用具有廣闊的前景。文章對(duì)復(fù)合材料殼體采用注塑成型,因此需要對(duì)離合器殼體進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先應(yīng)用三維建模軟件SolidWorks對(duì)離合器殼體進(jìn)行了三維模型的建立,利用Ansys建立其有限元模型。通過(guò)計(jì)算得到殼體一檔工況的受力狀況,在有限元軟件靜力學(xué)分析模塊中進(jìn)行靜力學(xué)分析。根據(jù)仿真分析得到殼體的應(yīng)力與應(yīng)變分布圖,清晰地了解到一檔工況下離合器殼體受力薄弱的區(qū)域以及應(yīng)力集中所處的部位。結(jié)果顯示雖然在一檔工況下殼體的強(qiáng)度滿足強(qiáng)度要求,但離合器殼體的底部應(yīng)力較大,在設(shè)計(jì)注塑殼體時(shí)底部需要加強(qiáng)。殼體的邊緣部位受力顯示較小,故設(shè)計(jì)模型時(shí)邊緣處應(yīng)減小壁厚。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化,隨后文章根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化流程對(duì)離合器殼體進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果為離合器注塑殼體提供了修改依據(jù)。由于材料的各向異性長(zhǎng)纖維熱塑性復(fù)合材料離合器殼體力學(xué)性能仿真分析相比鑄鋁離合器殼體力學(xué)性能仿真分析要面臨更大的挑戰(zhàn)。本文構(gòu)建了適用于熱塑性復(fù)合材料離合器殼體力學(xué)性能仿真分析流程。根據(jù)仿真流程,文章在Digimat軟件中建立復(fù)合材料的本構(gòu)模型,通過(guò)模流分析軟件得知注塑殼體的纖維方向信息。接著對(duì)模流網(wǎng)格上的纖維信息進(jìn)行了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格映射。最后聯(lián)合求解得到復(fù)合材料離合器殼體的應(yīng)力應(yīng)變圖。在滿足強(qiáng)度的條件,最終復(fù)合材料離合器殼體重2.86Kg,相比鑄鋁殼體減重43.1%,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
【圖文】：

比普通利用鋼材制作的車(chē)在重量上減輕了 60%。在相同油量的前提下，這輛汽車(chē)比傳統(tǒng)車(chē)要多開(kāi) 50 公里。雖然纖維復(fù)合材料汽車(chē)看起來(lái)像是塑料，但在實(shí)際工作過(guò)程中這個(gè)復(fù)合材料抗沖擊性比鋼材要好的多，特別是纖維復(fù)合材料制作的方向盤(pán)，機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊能力比傳統(tǒng)的都要好的多。伴隨著汽車(chē)業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)上的零部件輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)重要的研究課題。汽車(chē)輕量化的設(shè)計(jì)不僅可以降低油耗，同時(shí)還可以降低汽車(chē)的使用成本。通過(guò)查閱資料發(fā)現(xiàn)，在汽車(chē)自身重量減輕 100Kg 的情況下行駛 100 公里，大約可以節(jié)約 0.3Kg 的汽油。目前汽車(chē)的輕量化設(shè)計(jì)主要是通過(guò)對(duì)汽車(chē)上的一些零部件進(jìn)行復(fù)合材料替換，比如車(chē)門(mén)組件、保險(xiǎn)杠、減速器、汽車(chē)座位支架、方向盤(pán)等等。汽車(chē)公司通過(guò)采用碳纖維復(fù)合材料制造出一輛超輕概念車(chē)，整個(gè)車(chē)重只有 191Kg，車(chē)身的剛度相比較于鋼制車(chē)身較優(yōu)。在重量方面相比較于鋼制車(chē) 367.9Kg，超概念車(chē)的輕量化達(dá)到 53%[33]。有廠家利用復(fù)合材料制作車(chē)輪，車(chē)輪采用復(fù)合材料之后相比對(duì)標(biāo)車(chē)輪減重達(dá)到 30%，達(dá)到了輕量化的目的。如下圖 2.1 所示為纖維復(fù)合材料在汽車(chē)零部件上的應(yīng)用。

圖 2.2 Digimat 軟件界面章涉及到的模塊主要有三個(gè)分別為：MF、MAP 和 CAE，隨后對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹1）DIGIMAT-MFigimat-MF 可以快速準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)復(fù)合材料的非線性行為，這一過(guò)程用到的方法。這個(gè)模塊涉及到的理論為單胞理論，也就是將復(fù)合材料劃分為最小的基體和增強(qiáng)相等材料的力學(xué)性能進(jìn)行定義。此外還有增強(qiáng)相的含量和變量義好之后即可得到復(fù)合材料的本構(gòu)模型，從而計(jì)算得到復(fù)合材料的機(jī)械性2）DIGIMAT-MAPigimat-MAP 這一模塊提供的是網(wǎng)格映射功能，因?yàn)槟Ａ鞣治龅玫降木W(wǎng)格與匹配，，所以需要對(duì)模流分析得到的網(wǎng)格上的纖維信息進(jìn)行映射，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。利用這一模塊研究人員可以精確地把模流分析結(jié)果傳遞到有從而提高最終的仿真分析結(jié)果。3）DIGIMAT-CAE
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：U463.211;TB33

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本文編號(hào)：2653328