汽车车身设计-第七章车身疲劳强度分析基础
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基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计引言:汽车车身设计是整车设计中至关重要的一环。
汽车车身不仅是汽车的“外衣”,还承担着对乘员安全和行驶稳定性的极其重要的作用。
车身的强度是确保车辆在各种复杂工况下保持结构稳定、寿命可靠的关键因素。
基于有限元模型的汽车车身强度分析与优化设计具有重要的意义。
1. 有限元分析在汽车车身设计中的应用有限元分析是一种基于力学原理和数值计算方法的数值模拟技术。
它可以将复杂的连续体结构离散为有限个单元,通过求解单元之间的相互作用力,得到结构的应力、应变等力学参数。
在汽车车身设计中,有限元分析可以有效地评估车身的强度、刚度、振动特性等。
2. 汽车车身强度分析的主要内容汽车车身强度分析主要分为静态强度分析和动态强度分析两个方面。
2.1 静态强度分析静态强度分析是对车身在静态加载条件下进行强度评估。
通过有限元分析,可以得到车身各部分的应力分布情况和最大应力值,进而判断车身是否足够强度。
在静态强度分析中,需要考虑的因素包括车身的受载状态、材料的力学性质、载荷的大小和方向等。
2.2 动态强度分析动态强度分析是对车身在动态加载条件下进行强度评估。
在实际使用中,汽车车身会受到各种道路激励和振动的影响,因此需要对车身进行动态强度分析。
通过有限元分析,可以得到车身在不同工况下的应力变化规律和疲劳寿命,进而优化车身结构设计,提升车身的抗疲劳能力。
3. 汽车车身设计的优化方法基于有限元模型的汽车车身优化设计可以通过调整车身结构和材料等手段来提升车身的强度和刚度。
3.1 结构优化在车身结构优化中,可以通过增加加强筋、设置补强板和优化焊缝位置等方式来提升车身的强度。
通过有限元分析,可以评估不同优化方案的效果,并选择最佳方案进行实施。
3.2 材料优化材料的选择对车身的强度和轻量化设计起着重要作用。
目前,高强度钢材和铝合金等轻量化材料正在被广泛应用于汽车车身设计中。
基于有限元分析,可以评估不同材料对车身强度的影响,并选择合适的材料进行使用。
车身疲劳寿命分析福建工程学院车辆工程0702班林文华摘要本文通过分析考察了车身结构的整体刚度特性,而且确定了车身疲劳寿命的薄弱位置,为车身结构设计及改进提供理论参考依据。
根据有限元疲劳分析的思路,对车身进行疲劳寿命分析。
施加单位载荷得到车身载荷响应;通过Matlab/Simulink建模仿真得到路面位移载荷谱,并作为车轮悬架振动模型的输入激励,最后得到路面作用在车身上的位移载荷谱;然后导入S.N曲线,分析结果显示车身最低寿命满足汽车场地试验三万公里标准。
有限元技术已经得到广泛应用,通过规范的力学建模以及边界条件的设置,可以得到满足工程需要的分析结果,有利于缩短开发周期,对产品设计改进都具有重要的指导意义及应用价值。
关键词:轿车车身,车身刚度,疲劳寿命The performance of integrative stiffness is examined and the fatigue life of body is obtained,which Call provide guidance for car design.The thesis contents are the following aspects.Fatigue life prediction of the car is carded out based on fmite element method.Unit load displacement response,combining the simulated displacement load history,is used to compute the fatigue performance of the car body.Matlab/ Simulink isapplied to simulate the load spectrum,which is used as the input signal of the tire-suspension model.The response of the tire-suspension model is the displacement spectrum loaded on the body.S—N curve is imported.The minimal fatigue life is 32800 kilometers,which can satisfy the thirty thousand kilometers test.Nowadays,CAE technology has been playing an important part in the forepart design of new production,which can provide reliable results with exact mechanical model and boundary condition.Key words:Car body;Body stiffness;Fatigue life1.疲劳分析理论1.1疲劳寿命分析过程工程构件所承受的载荷往往是多方向的复杂交变载荷,要准确预测各个部位的疲劳损伤就需要测量相应的载荷历程。
第9期2010年9月文章编号:1001-3997(2010)09-0099-03机械设计与制造MachineryDesign&Manufacture99客车车身骨架准静态疲劳强度分析*朱健苏小平陈本军)(南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009Pseudo-staticfatiguestrengthanalysisofbusbodyframeworkZHUJian,SUXiao-ping,CHENBen-jun (SchoolofMechanicalandPowerEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)【摘要】运用有限元方法建立了某轻型客车车架骨架的有限元模型,在确定载荷的简化和施加方法后,进行了该车身骨架在满载弯曲工况下的有限元仿真,以此对其进一步的疲劳分析。
为该车车身骨架的优化设计和进一步研究提供了理论依据。
关键词:车身骨架;有限元;疲劳分析【Abstract】Finiteelementmodelingofthebusframeworkisestablishedbyusingfiniteelementmeth-ods.Whenthesimplifiedloadandloadwayexertingontheframeworkareensured,thefiniteelementsimula-tionofbusframeworkisexecutedunderfullyloadedbendingcondition.Andthenfurtherfatigu eanalysisfinishes.Theseresultsprovidetheoreticalbasisforoptimizationandfurtherstudyoft hebusframework.Keywords:Busframework;Finiteelementanalysis;Fatigueanalysis1引言车身骨架是客车的主要承载结构,车身骨架的强度、刚度及安全性、操作稳定性等疲劳性能都直接影响着客车的使用寿命、基本性能。
车辆耐疲劳分析计算机产生的道路载荷和应力分析陈亨毅二零零六年一月二十日前言传统上所谓的“道路载荷”就是车辆在崎岖不平的道路上行驶,激起轮胎的连续变形。
藉着力的传导,轮胎的反弹力经由悬挂体而传播分布到车身各处。
在重覆的受力状态下,部件若在指定的驶程内产生破裂,则需重新设计。
但是,车辆工程人员迄今仍无法掌握导致部件破裂的“道路载荷”。
而在有测试的前提下,用正确的有限元方法模拟各种工况,和有创新能力的软件商一起完成“道路载荷”的获取是最省事的做法。
二十世纪初期,车辆的耐久性已是车辆设计规范之一。
汽车制造商为了要测定车辆的耐疲劳性,测试人员将各类的车辆,以不同的速度行驶于底特律的各种不同的道路上。
再根据车辆的破坏程度来修正车辆设计上的缺陷。
随着时代的演进和试车场的诞生,车辆的耐疲劳测试逐渐改在可控制的道路状况下重覆的进行测试。
由于测试的技术亦不断的进步,试车员可将耐疲劳的行驶里程由五位数减至四位数并和原先的全程测试得到的结果相仿。
为了缩短出车的时间,大家都在增进效率上努力。
二十世纪末期,复合材料模拟方法,超单元算法,橡胶单元面世,因计算机的速度突飞猛进带动了结构分析软件的技术开发。
一九八四年最好的有限元单元问世,接触面的运算方法和隐式性积分无条件收敛的算法获得验证。
先後为结构分析人员提供了在计算机上,用有限元方法模拟车辆行驶于耐疲劳道路上应力分析的工具。
以期达到减重,耐久,可以免除测试的好处。
开发成功便能取代耗时的耐疲劳行驶测试,缩短产品开发时间,这创新将是产品自主开发的利器。
有限元方法已是成熟的技术。
模拟车辆在耐疲劳道路上行驶,除了用正确有限元方法模拟不同零件的方法,祗需要掌握下文叙述的,线性,非线性,子结构分析知识和技术即可。
结构分析和道路载荷在没有电子计算机的时代,汽车结构分析是用比较性的分析;分析人员仅能将目标车的断面,和设计车的断面,用手运算後作粗枝大叶的比较,谈不上精确度。
设计人员基本上是仰赖车辆在耐疲劳道路上的测试报告为依据。
疲劳强度疲劳的定义:材料在循环应力或循环应变作用下,由于某点或某些点产生了局部的永久结构变化,从而在一定的循环次数以后形成裂纹或发生断裂的过程称为疲劳。
疲劳的分类:(1)按研究对象 :材料疲劳和结构疲劳(2)按失效周次 :高周疲劳和低周疲劳(3)按应力状态 :单轴疲劳和多轴疲劳(4)按载荷变化情况 : 恒幅疲劳、变幅疲劳、随机疲劳(5)按载荷工况和工作环境 :常规疲劳、高低温疲劳、热疲劳、热—机械疲劳、腐蚀疲劳、接触疲劳、微动磨损疲劳和冲击疲劳。
第一章疲劳破坏的特征和断口分析§1-1 疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征和静力破坏有着本质的不同,主要有五大特征:( 1)在交变裁荷作用下,构件中的交变应力在远小于材料的强度极限( b )的情况下,破坏就可能发生。
(2)不管是脆性材料或塑性材料,疲劳断裂在宏观上均表现为无明显塑性变形的突然断裂,故疲劳断裂常表现为低应力类脆性断裂。
(3)疲劳破坏常具有局部性质,而并不牵涉到整个结构的所有材料,局部改变细节设计或工艺措施,即可较明显地增加疲劳寿命。
(4)疲劳破坏是一个累积损伤的过程,需经历一定的时间历程,甚至是很长的时间历程。
实践已经证明,疲劳断裂由三个过程组成,即 (I)裂纹 (成核 )形成, (II)裂纹扩展, (III)裂纹扩展到临界尺寸时的快速 (不稳定 )断裂。
(5)疲劳破坏断口在宏观和微观上均有其特征,特别是其宏观特征在外场目视捡查即能进行观察,可以帮助我们分析判断图 1-1 磨床砂轮轴的典型断口是否属于疲劳破坏等。
图 1-1及图 l-2所示为磨床砂轮轴及一个航空发动机压气机叶片的典型断口。
图中表明了疲劳裂纹起源点(常称疲劳源 ),疲劳裂纹扩展区 (常称光滑区 )及快速断裂区 (也称瞬时破断区,常呈粗粒状 )。
图 1-2 航空发动机压气机叶片的典型断口§ 1-2 疲劳破坏的断口分析宏观分析:用肉眼或低倍(如二十五倍以下的)放大镜分析断口。
基于疲劳设计理论解决轿车车身后部开裂问题汪沛伟;龚侃;袁亮;张铁;宋瀚【摘要】本文针对项目开发过程中的试验开裂问题,基于疲劳设计的基本理论,对影响车身疲劳耐久性能的因素进行分析.提出改善思路及改善方向,通过大扭转静态仿真分析方法,快速提出了有效的改善方案.该方案通过试验样车耐久测试,验证切实可行,为今后车身结构解决疲劳失效的问题提供重要参考.【期刊名称】《汽车科技》【年(卷),期】2016(000)006【总页数】4页(P108-111)【关键词】疲劳耐久;应力集中;大扭转工况静态分析【作者】汪沛伟;龚侃;袁亮;张铁;宋瀚【作者单位】东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070;东风汽车公司技术中心,武汉430070【正文语种】中文【中图分类】U463.3+6汪沛伟武汉理工大学机械工程硕士研究生毕业,现任东风汽车公司技术中心工程师,研究方向为:车体结构设计。
随着汽车市场越来越大,人们对汽车的安全性、可靠性的要求越来越高。
在汽车行驶过程中,由于路面不平整等因素影响,车身通常会受到交变载荷的作用,在交变载荷的重复作用下车身结构可能产生低于材料最大应力水平下的疲劳破坏。
车身作为汽车的重要支撑结构,其疲劳耐久性能对整车的安全性、可靠性影响尤其明显。
本文针对某三厢车型开发过程中,车身后部在耐久试验中开裂问题为例,根据疲劳设计理论提出解决思路,并由此提出新的仿真分析思路,快速有效的提出解决方案,最终通过实车验证解决了开裂问题。
某三厢轿车在试制样车阶段进行轮胎耦合道路耐久试验中,车身后部出现了不同程度的开裂现象。
开裂的地方主要发生在车身后部后隔板处,后隔板是三厢轿车特有的结构,位于车身后排座椅靠背的后面,行李箱的前面,连接左右侧C柱钣金结构,如图1所示。
后隔板是重要的传力路径,对整个车身起到一个横向的支撑,对整个车身的扭转刚度、强度均有重要影响。
车身静强度车身总成强度可用动态或静态试验方法加以考核。
动态强度试验主要包括实车碰撞、摆垂冲击、整车坠落及实车翻滚等试验,可以真实地再现实际使用状态,但试验难度大,试验成本高,所以在车身开发初期以较低成本用静态试验来初步评价车体的强度性能。
CAE静态分析,即用有限元法分析白车身的刚度、强度,包括结构、连接点、重要部位、焊点等;动态分析,即用有限元法分析白车身的模态,给出振动和噪声状况;碰撞分析,即用专用软件模拟撞车时的车身状态;空气空力学方面知识:汽车风阻的五个组成部分车身造型设计是一门很大的学问,其中重要的内容就是风阻问题。
平常说的风阻大都是指汽车的外部与气流作用产生的阻力。
实际上,流经汽车内部的气流也对汽车的行驶构成阻力。
研究表明,作用在汽车上的阻力是由5个部分组成的。
一、外型阻力,指汽车前部的正压力和车身后部的负压力之差形成的阻力,约占整个空气阻力的58%;二、干扰阻力,指汽车表面突出的零件,如保险杠、后视镜、前牌照、排水槽、底盘传动机构等引起气流互相干扰产生的阻力,约占整个空气阻力的14%;三、内部阻力,指汽车内部通风气流、冷却发动机的气流等造成的阻力,约占整个空气阻力的12%;四、由高速行驶产生的升力所造成的阻力,约占整个空气阻力的7%;五、空气相对车身流动的摩擦力,约占整个空气阻力的9%;针对第一、二种阻力,轿车车身应该尽量设计成流线型,横向截面面积不要太大,车身各部分用适当的圆弧过渡,尽量减少突出车身的附件,前脸、发动机舱盖、前挡风玻璃适当向后倾斜,后窗、后顶盖的长度、倾角的设计要适当。
此外,还可以在适当的位置安装导流板或扰流板。
通过研究汽车外部的气流规律,不仅可以设计出更加合理的车身结构,还可以巧妙地引导气流,适当利用局部气流的冲刷作用减少车身上的尘土沉积。
针对第四种阻力,要设法降低行驶中的升力,包括使弦线前低后高,底版尾部适当上翘,安装导流板和扰流板等措施。
一部分外部气流被引进汽车内部,可能会在一定程度上减少了外部气流对汽车的阻力,但气流在流经内部气道时也产生的摩擦、旋涡损失。
车身疲劳耐久评估方法简介不知道为什么小时候的我经常遇到需要弄断铁丝却没有老虎钳也没有小李飞刀的直接考验我智商的高光时刻。
虽然显然不能像非洲朋友那样牙咬手撕但我也不是没试过当然最后结局都是没成功。
后来可能是因为吃了家里唯一荤菜鸡蛋脑细胞发育了发现反复折弯再反复折弯铁丝就会突然断了。
至于铁丝为什么会突然断了我不知道反正就是断了。
再后来改革开放了日子好了能吃上猪肉了脑子也发育的差不多了其中的缘由也就慢慢的明白了。
一根铁丝,想要徒手拉断或者瞬间折断那几乎是不可能的,但是如果你将它反复折弯很多次便可以把它折断。
这其实就是铁丝被整疲劳了,发生了疲劳破坏。
因为铁丝等金属件在生产加工过程中会出现各种缺陷,比如宏观的气孔、杂质、表面划痕以及微观的晶体位错、滑移带等。
在外力作用下这些缺陷处会出现局部应力集中,当局部应力大于材料的屈服强度时便会萌生微裂纹,这些微裂纹在交变载荷作用下逐渐扩展,当扩展到一定程度时突然断裂。
铁丝的疲劳破坏过程中交变载荷水平较高,塑性应变起主导作用,疲劳寿命较短,属于应变疲劳或低周疲劳;当交变载荷水平较低,弹性应变起主导作用时,疲劳寿命较长,属于应力疲劳或高周疲劳。
高周疲劳在日常生活中更加普遍,因其交变载荷小,没有明显的塑性变形等前兆,不容易提前发觉,所以具有更大的危险性。
美国空军的一架F-15战斗机曾经在模拟空战时就出现了惊险的一幕,事故造成美军F-15战机大面积停飞,调查结果显示,事故起因于飞机上的一根金属纵梁发生了疲劳破坏。
图1 F-15战机疲劳破坏(图片源自网络)汽车作为我们日常生活中非常重要的代步工具,也是由大量金属件构成的。
当汽车行驶在道路上时由于路面的不平整,车身结构会受到交变载荷作用,从而产生微裂纹并逐渐扩展。
为了保证车身在整个设计生命周期内不发生疲劳破坏,我们需要对车身结构进行疲劳耐久性能评估。
评估方法可分为试验法及CAE(Computer Aided Engineering)仿真分析法,实际的项目开发过程中,两种方法相结合使用。
轮心六分力作用下车身疲劳寿命分析与改进摘要:车身疲劳寿命是汽车设计中的一个重要指标,本文通过轮心六分力的作用对车身进行了疲劳寿命分析,并对设计进行了改进,提高了车身的安全性和耐久性。
关键词:轮心六分力,疲劳寿命,车身设计,改进一、引言随着汽车工业的不断发展,汽车设计的重点逐渐从外观和性能转向了安全性和耐久性。
车身疲劳寿命是车身耐久性的一个重要指标,直接关系到汽车的安全性能。
因此,在车身设计过程中,需要对车身进行疲劳寿命分析和改进。
二、轮心六分力轮心六分力是轮胎垂直负载在车身上所产生的六个力,分别是前向力、后向力、左向力、右向力、上向力和下向力。
这些力是汽车行驶时车身所受到的主要力量,会对车身产生一定的影响。
三、车身疲劳寿命分析在汽车行驶过程中,车身受到轮心六分力的作用,引起车身的疲劳损伤。
为了确定车身的疲劳寿命,需要进行疲劳试验。
在试验中,将车身加上载荷,重复施加一定的负载,观察车身是否会出现疲劳破坏。
通过试验数据的分析可以确定车身的疲劳寿命。
四、车身设计改进为了提高车身的安全性和耐久性,需要对车身设计进行改进。
首先需要对车身结构进行改进,增强车身的承载能力。
其次,在车身部分应力集中的区域加强材料厚度,进一步防止疲劳破坏。
最后,加强车身的连接部位,确保连接牢固。
五、结论通过车身疲劳试验以及车身设计的改进,可以有效提高车身的安全性和耐久性。
疲劳寿命分析和改进设计是汽车设计中不可或缺的一部分,可以有效提高汽车的质量和安全性。
六、未来展望随着汽车行业的发展,未来汽车将更注重环保和安全性,并对车身材料、结构和设计提出更高的要求。
在这样的背景下,车身疲劳寿命分析和设计也将面临更大的挑战。
一方面,随着新能源汽车的快速发展,车身疲劳寿命分析和设计也需要与之相适应。
新能源汽车的车身结构和用材可能与传统汽车的不同,需要根据其特点进行分析和改进设计。
另一方面,汽车安全性问题越来越受到关注,车身疲劳寿命分析和设计也需要更严格的标准和措施。