本文關(guān)鍵詞：轎車懸架零部件性能匹配與輕量化多目標(biāo)優(yōu)化方法研究

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【摘要】：汽車輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑之一,轎車懸架系統(tǒng)零部件的輕量化設(shè)計(jì)是整車輕量化的重要組成部分,但是作為底盤關(guān)鍵承載件,其載荷工況復(fù)雜,極易引起疲勞失效,而輕量化設(shè)計(jì)往往會(huì)提高結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平,降低疲勞壽命。同時(shí),懸架系統(tǒng)與行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等整車性能密切相關(guān),對(duì)懸架系統(tǒng)零部件輕量化設(shè)計(jì)時(shí),需考慮懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)改變對(duì)整車性能的影響。因此,轎車懸架零部件的疲勞壽命預(yù)測(cè)、輕量化設(shè)計(jì)、以及輕量化設(shè)計(jì)過程中懸架參數(shù)與整車性能的優(yōu)化匹配是轎車底盤設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),也是懸架系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中的研究熱點(diǎn)。本文以裝配麥弗遜式前懸架和扭轉(zhuǎn)梁式后懸架的某A0級(jí)轎車為研究對(duì)象,結(jié)合多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論和有限元方法構(gòu)建其整車剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型,研究前懸架下控制臂和后懸架扭轉(zhuǎn)梁的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法,并考察懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)整車性能的影響,在此基礎(chǔ)上,綜合考慮下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁的質(zhì)量、疲勞壽命、剛度和模態(tài)頻率等結(jié)構(gòu)性能指標(biāo),以及行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等整車性能指標(biāo),建立轎車懸架零部件性能匹配與輕量化多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)流程,為轎車底盤的自主設(shè)計(jì)研發(fā)提供技術(shù)參考依據(jù)。首先,采用Adams/Car軟件建立考慮前懸架下控制臂和后懸架扭轉(zhuǎn)梁柔性的整車剛?cè)狁詈隙囿w動(dòng)力學(xué)模型,通過對(duì)比懸架KC特性的試驗(yàn)與仿真結(jié)果,驗(yàn)證了前后懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性;利用隨機(jī)輸入行駛平順性試驗(yàn)、以及穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)向回正試驗(yàn),驗(yàn)證了所建整車剛?cè)狁詈夏Ｐ偷臏?zhǔn)確性,為后續(xù)研究工作提供了模型基礎(chǔ)。其次,根據(jù)汽車試驗(yàn)場(chǎng)耐久性路面參數(shù),構(gòu)建了包括鵝卵石路、搓板路和比利時(shí)路的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)耐久性組合路面模型,并將其與整車剛?cè)狁詈夏Ｐ图稍谝黄?進(jìn)行整車耐久性仿真分析。根據(jù)前懸架下控制臂和后懸架扭轉(zhuǎn)梁的結(jié)構(gòu)特性,分別采用準(zhǔn)靜態(tài)法和模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)法計(jì)算得到了下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁的動(dòng)態(tài)應(yīng)力時(shí)間歷程,并利用名義應(yīng)力法對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)。針對(duì)下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同懸架性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)度不同、難以確定其對(duì)懸架性能影響程度的問題,通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法計(jì)算了下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)懸架性能的貢獻(xiàn)度,再利用熵權(quán)法和TOPSIS方法計(jì)算每個(gè)參數(shù)的結(jié)構(gòu)綜合貢獻(xiàn)系數(shù),并以此為評(píng)價(jià)指標(biāo)確定出了對(duì)懸架性能影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù),并將其作為設(shè)計(jì)變量用于整車性能優(yōu)化匹配。綜合考慮行駛平順性和操縱穩(wěn)定性,采用近似模型方法和NSGA-II算法對(duì)前后懸架參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,獲得了使整車性能整體上得到改善的優(yōu)化方案,并通過整車性能仿真分析驗(yàn)證了該優(yōu)化方案的可行性。然后,采用變密度法對(duì)前懸架下控制臂和后懸架扭轉(zhuǎn)梁橫梁進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化,根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果重構(gòu)了下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁橫梁結(jié)構(gòu),基于網(wǎng)格變形技術(shù),利用自由變形和基于控制塊的變形方法建立了下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁的參數(shù)化模型,并定義了用于輕量化研究的設(shè)計(jì)變量。以前文研究工作為基礎(chǔ),綜合考慮質(zhì)量、疲勞壽命、剛度和模態(tài)頻率等結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)、以及行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等整車性能,結(jié)合Kriging近似模型和NSGA-II多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁進(jìn)行了尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化,提出了下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁的輕量化設(shè)計(jì)方案。對(duì)比分析了輕量化前后下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)性能、以及整車性能的變化情況,結(jié)果顯示,在保證各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)要求的情況下,實(shí)現(xiàn)了下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁的輕量化設(shè)計(jì)。為了能夠客觀、合理的評(píng)價(jià)懸架零部件的輕量化設(shè)計(jì)效果,綜合考慮質(zhì)量、結(jié)構(gòu)性能和整車參數(shù)等多方面因素,提出了下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁輕量化系數(shù)的計(jì)算方法,比較分析了輕量化前后下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁的輕量化系數(shù),結(jié)果表明該系數(shù)能夠?qū)ο驴刂票酆团まD(zhuǎn)梁輕量化水平進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。最后,根據(jù)輕量化方案試制了后懸架扭轉(zhuǎn)梁樣件,對(duì)其分別進(jìn)行了自由模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、強(qiáng)度、垂向扭轉(zhuǎn)疲勞和上外30°方向彎曲疲勞試驗(yàn),結(jié)果表明扭轉(zhuǎn)梁樣件質(zhì)量比優(yōu)化前明顯降低,并且各項(xiàng)性能滿足要求,進(jìn)一步驗(yàn)證了扭轉(zhuǎn)梁輕量化方案的有效性。
【關(guān)鍵詞】：懸架零部件 輕量化設(shè)計(jì) 疲勞壽命 整車性能匹配 結(jié)構(gòu)綜合貢獻(xiàn)系數(shù) 近似模型 多目標(biāo)優(yōu)化
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：U463.33
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-14
• 第1章 緒論14-38
• 1.1 研究背景及意義14-16
• 1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究綜述16-34
• 1.2.1 汽車輕量化技術(shù)研究綜述16-27
• 1.2.2 汽車疲勞耐久性分析研究綜述27-31
• 1.2.3 整車性能匹配研究綜述31-34
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容34-38
• 第2章 整車剛?cè)狁詈夏Ｐ徒⒓膀?yàn)證38-58
• 2.1 柔性多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)基本理論38-39
• 2.2 整車剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/span>39-52
• 2.2.1 輪胎動(dòng)力學(xué)建模39-42
• 2.2.2 前懸架系統(tǒng)建模及驗(yàn)證42-47
• 2.2.3 后懸架系統(tǒng)建模及驗(yàn)證47-50
• 2.2.4 整車剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/span>50-52
• 2.3 路面模型的建立52-53
• 2.4 整車模型試驗(yàn)驗(yàn)證53-57
• 2.4.1 行駛平順性試驗(yàn)驗(yàn)證54-55
• 2.4.2 操縱穩(wěn)定性試驗(yàn)驗(yàn)證55-57
• 2.5 本章小結(jié)57-58
• 第3章 基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的懸架零部件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法研究58-72
• 3.1 疲勞分析基本理論58-61
• 3.1.1 疲勞壽命預(yù)測(cè)方法58-59
• 3.1.2 循環(huán)計(jì)數(shù)方法59-60
• 3.1.3 疲勞損傷累積理論60
• 3.1.4 動(dòng)應(yīng)力計(jì)算方法60-61
• 3.2 虛擬試驗(yàn)場(chǎng)耐久性路面建模61-62
• 3.3 前懸架下控制臂疲勞壽命預(yù)測(cè)62-67
• 3.3.1 基于慣性釋放法的下控制臂有限元靜力分析62-64
• 3.3.2 下控制臂動(dòng)態(tài)載荷時(shí)間歷程64-66
• 3.3.3 下控制臂疲勞壽命預(yù)測(cè)66-67
• 3.4 后懸架扭轉(zhuǎn)梁疲勞壽命預(yù)測(cè)67-71
• 3.4.1 模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)理論67-68
• 3.4.2 扭轉(zhuǎn)梁模態(tài)應(yīng)力恢復(fù)結(jié)果68-70
• 3.4.3 扭轉(zhuǎn)梁疲勞壽命預(yù)測(cè)70-71
• 3.5 本章小結(jié)71-72
• 第4章 整車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性優(yōu)化匹配72-100
• 4.1 影響整車性能的懸架系統(tǒng)特性參數(shù)研究72-77
• 4.1.1 懸架動(dòng)力學(xué)特性對(duì)整車性能的影響72-76
• 4.1.2 懸架K&C特性對(duì)整車性能的影響76-77
• 4.2 前后懸架系統(tǒng)性能仿真分析77-81
• 4.2.1 左右車輪平行跳動(dòng)工況78-79
• 4.2.2 同向側(cè)向力工況79
• 4.2.3 前后懸架偏頻和阻尼比79-80
• 4.2.4 懸架性能參數(shù)仿真計(jì)算結(jié)果80-81
• 4.3 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)懸架性能的影響81-88
• 4.3.1 基于熵權(quán)法和TOPSIS法的結(jié)構(gòu)綜合貢獻(xiàn)系數(shù)計(jì)算方法82-83
• 4.3.2 下控制臂參數(shù)對(duì)前懸架性能的影響83-86
• 4.3.3 扭轉(zhuǎn)梁參數(shù)對(duì)后懸架性能的影響86-88
• 4.4 整車性能多目標(biāo)優(yōu)化88-98
• 4.4.1 近似模型方法和NSGA-II優(yōu)化算法88-92
• 4.4.2 整車性能多目標(biāo)優(yōu)化問題的定義92-94
• 4.4.3 近似模型的建立及誤差分析94-96
• 4.4.4 整車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性多目標(biāo)優(yōu)化96-98
• 4.5 整車性能匹配優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證98-99
• 4.6 本章小結(jié)99-100
• 第5章 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁輕量化多目標(biāo)優(yōu)化方法研究100-120
• 5.1 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化100-104
• 5.1.1 載荷提取100-101
• 5.1.2 下控制臂結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化101-103
• 5.1.3 扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化103-104
• 5.2 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁參數(shù)化建模104-106
• 5.2.1 網(wǎng)格變形技術(shù)104-105
• 5.2.2 參數(shù)化模型的建立105-106
• 5.3 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁輕量化多目標(biāo)優(yōu)化106-111
• 5.3.1 輕量化多目標(biāo)優(yōu)化框架107
• 5.3.2 優(yōu)化問題的定義107-109
• 5.3.3 基于Kriging近似模型的多目標(biāo)優(yōu)化109-111
• 5.4 輕量化前后結(jié)構(gòu)性能對(duì)比分析111-114
• 5.4.1 輕量化前后低頻固有振動(dòng)特性對(duì)比分析111-112
• 5.4.2 輕量化前后剛度性能對(duì)比分析112
• 5.4.3 輕量化前后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度對(duì)比分析112-113
• 5.4.4 輕量化前后疲勞壽命對(duì)比分析113-114
• 5.5 輕量化前后整車性能對(duì)比分析114-116
• 5.5.1 輕量化前后行駛平順性對(duì)比分析114-115
• 5.5.3 輕量化前后操縱穩(wěn)定性對(duì)比分析115-116
• 5.6 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁輕量化評(píng)價(jià)方法研究116-118
• 5.6.1 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁輕量化系數(shù)116-117
• 5.6.2 下控制臂和扭轉(zhuǎn)梁的輕量化分析與評(píng)價(jià)117-118
• 5.7 本章小結(jié)118-120
• 第6章 后懸架扭轉(zhuǎn)梁樣件試制及性能驗(yàn)證120-132
• 6.1 后懸架扭轉(zhuǎn)梁樣件試制120-121
• 6.2 后懸架扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)驗(yàn)證121-130
• 6.2.1 低階固有振動(dòng)特性試驗(yàn)驗(yàn)證121-122
• 6.2.2 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)驗(yàn)證122-124
• 6.2.3 強(qiáng)度及疲勞性能試驗(yàn)驗(yàn)證124-130
• 6.3 本章小結(jié)130-132
• 第7章 總結(jié)與展望132-136
• 7.1 全文總結(jié)132-133
• 7.2 論文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)133-134
• 7.3 研究展望134-136
• 參考文獻(xiàn)136-148
• 作者簡介及在學(xué)期間所取得的科研成果148-150
• 致謝150

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本文編號(hào)：873941