汽車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)【輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)】【主減速器采用單級(jí)主減速器驅(qū)動(dòng)橋】
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輕量化設(shè)計(jì)的汽車零部件用高強(qiáng)度鋼來(lái)抗凹
張研 來(lái)新民 朱平 王吳榮
摘要 輕巧耐撞性是汽車車身設(shè)計(jì)的兩個(gè)重要因素。在這篇文章中,基于淺殼理論,表達(dá)抗凹剛度的雙曲率扁殼是在集中載荷條件下取得的。該臨界負(fù)荷導(dǎo)致當(dāng)?shù)噩嵥榈陌己墼谠撝行牡臏\殼被視為輕量級(jí)對(duì)汽車零部件的重要影響指數(shù)。本規(guī)則適用于輕量化設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)用高強(qiáng)度鋼代替溫和鋼。耐撞模擬輕量級(jí)的一部分,證明了輕量化進(jìn)程的有效性。
關(guān)鍵詞: 高強(qiáng)度鋼 輕量 抗凹
1、介紹
近年來(lái),由于汽車保有量的急劇增長(zhǎng),大大影響了社會(huì)和人們的生活,這種情況帶來(lái)了很多嚴(yán)峻的問(wèn)題比如能源危機(jī),環(huán)境污染。國(guó)際鋁組織協(xié)會(huì)聲明石油的消耗可降低8-10%與減少約10%的汽車重量。因此,汽車輕量化是節(jié)約燃料的一個(gè)基本方式。
為了減少汽車的重量,這又兩個(gè)較好的方法。一種方法是重新設(shè)計(jì)汽車零部件優(yōu)化其結(jié)構(gòu),通過(guò)使用細(xì)薄的、空心的、小型的和混合材料的零部件,來(lái)減輕汽車的重量。另一種是使用新的輕型材料,如今這種材料越來(lái)越多,如鋁合金,高強(qiáng)度鋼,復(fù)合材料都被廣泛作為輕質(zhì)材料以取代傳統(tǒng)材料如低碳鋼。這些材料可以顯著的減輕汽車的重量。使汽車輕量化材料替換比優(yōu)化結(jié)構(gòu)更有效。根據(jù)引進(jìn)的汽車安全法規(guī),輕量化設(shè)計(jì)的車身中耐撞性和安全性被視為先決條件。高強(qiáng)度鋼被廣泛的應(yīng)用于汽車上以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低碳鋼。
高強(qiáng)度鋼板可用于汽車車身來(lái)提高部件碰撞能量吸收能力和耐塑性變形能力。汽車體重可減少通過(guò)使其零部件用一個(gè)更薄厚度的高強(qiáng)度鋼板取代低碳鋼板來(lái)制造。與鋁相比,鎂,復(fù)合材料和高強(qiáng)度鋼具有更好的經(jīng)濟(jì)性因?yàn)檫@些材料的原料和制作費(fèi)用比較便宜。此外,高強(qiáng)度鋼可直接應(yīng)用到生產(chǎn)線上,包括成型,焊接,裝配和油漆。經(jīng)營(yíng)成本節(jié)省了,因?yàn)闆](méi)有必要對(duì)整個(gè)線路進(jìn)行調(diào)整。
在車身外,有幾個(gè)薄的金屬板,其中大部分是淺水面板。凹痕阻力是有能力保持形狀對(duì)沉沒(méi)撓度和地方凹痕在外力的作用下。凹性汽車板成為汽車的一個(gè)重要方面和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。因此,抗凹剛度的汽車板應(yīng)在面板設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中被測(cè)試和評(píng)估。一些報(bào)道的測(cè)試方法列舉如下:
1)、在外力不變的情況下,測(cè)量位移沉沒(méi)撓度的fp
2)、測(cè)試外力F到獲得固定位移沉沒(méi)偏轉(zhuǎn)量
3)、在外力載荷作用下測(cè)試得邊坡力位移曲線
在這篇文章中,第二種方法將被采用,該表達(dá)抗凹剛度雙曲率淺殼是通過(guò)淺殼理論和集中負(fù)載的條件下得到的。該臨界負(fù)荷導(dǎo) 致該中心淺殼瑣碎的凹痕被視為凹性汽車零部件的重要評(píng)價(jià)指數(shù)。本規(guī)則適用于在第2條中,輕量化設(shè)計(jì)連年系統(tǒng)用高強(qiáng)度鋼代替低碳鋼與耐撞性仿真。
2、雙曲率淺殼的抗凹性分析
2.1 淺殼的抗凹剛度分析
殼牌與中表面特點(diǎn)可以分為三特征:厚度h,中面尺寸L,曲率半徑r ,并滿足的h / r<<1。當(dāng)h/L<<1時(shí),定義外殼為薄殼,如果在上述兩條件滿足的同時(shí)又滿足L/r<<1,這個(gè)薄殼被認(rèn)為是淺殼。
如圖1所示,平面x-y是淺殼中表面沿著z軸的投影。假設(shè)M是中表面上的任意一點(diǎn),兩平面QMN&PMN分別去平行OYZ和OXZ。邊PM和QM可近似認(rèn)為是垂直的因?yàn)橹斜砻婧推教?。同時(shí),MN正交于中面。因此,MN,PM,QM可構(gòu)成垂直參考系MPQN。其差額由正交坐標(biāo)系統(tǒng)OXYZ可以忽略不計(jì),同時(shí)PM和QM通過(guò)α和β來(lái)表示,該曲面坐標(biāo)MPQN。
圖1
假設(shè)M是Z軸上的一點(diǎn),對(duì)中表面的詳細(xì)分析方程如下:
z=F(x,y) (1)
由于是平坦的外殼,就有如下方程:
(2)
中面的曲率和撓度可近似至:
(3)
該中面的下載系數(shù)可沿α和β方向?qū)С觯?
(4)
運(yùn)用集中力P沿Z軸和忽略橫向剪切力造成的影響,得到淺殼的平衡微分方程:
(5)
其中δ(0,0)是狄拉克-δ函數(shù)。
淺殼的兼容性方程是:
(6)
其中
通過(guò)橫向位移w來(lái)表達(dá)瞬時(shí)結(jié)果M1, M2和M12,淺殼在橫向集中力下的基本方程:
(7)
其中N1是膜應(yīng)力在X方向,N2是膜應(yīng)力在Y方向,D表示淺殼的抗彎剛度。
這是很難解決上述方程。據(jù)要立足現(xiàn)實(shí),沉沒(méi)的偏轉(zhuǎn)將只集中就在小范圍內(nèi)左右對(duì)外力P ,所以無(wú)限大型淺水殼牌是假定在這項(xiàng)研究中。因?yàn)閣,N1,N2關(guān)于X,Y軸對(duì)稱,所有順序衍生的w,N1,N2都無(wú)限接近于零,以下方程可通過(guò)傅立葉進(jìn)行變換。
(8)
其中:
(9)
從公式(8)我們可以得到。通過(guò)逆向傅立葉變換和極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換ξ,η,w,再根據(jù)極坐標(biāo)系統(tǒng)我們可以得到:
(10)
把x=0,y=0帶入式(8),這關(guān)系在偏轉(zhuǎn)力fp和矩形淺殼的集中力P我們可以得到如下:
(11)
最后抗凹剛度的雙曲率淺殼K便可獲得
(12)
這個(gè)等式綜合的說(shuō)明了該抗凹剛度雙曲率淺殼的所有影響因素,包括材料性能,幾何參數(shù),這些因素可以用來(lái)引導(dǎo)設(shè)計(jì),材料選擇及制造。
2.2分析臨界載荷造成當(dāng)?shù)噩嵥榘己?
為定量評(píng)價(jià)的臨界載荷對(duì)地方抗凹的展板,幾位研究員已經(jīng)提出了經(jīng)驗(yàn)公式。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn),Dicellello說(shuō)明一個(gè)公式表明最低能量W造成有形瑣碎的凹痕微量由厚度T的屈服應(yīng)力RS和基本抗凹剛度K。
(13)
其中C是比例恒,從公式(12)和(13),臨界載荷聚合酶鏈反應(yīng),導(dǎo)致淺殼中心瑣碎的凹痕是可以實(shí)現(xiàn)的,其中這被定義為評(píng)價(jià)。
(14)
從公式(14),是有密切相關(guān)關(guān)系臨界負(fù)荷Pcr和厚度t,屈服應(yīng)力,關(guān)鍵負(fù)載可以是根據(jù)一個(gè)規(guī)則進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)其中汽車零部件用高強(qiáng)度鋼代替低碳鋼。
3、舉列和耐撞性分析
3.1 整車的有限元模型及其碰撞模擬
一份詳細(xì)的有限元模型已確立基于從一輛房車改裝成一輛客車, 如圖2所示。以確保正確性性和有效性的有限元模型,一下方法將被采用:
1、因?yàn)槟康氖菫榱四M正面碰撞的車,嚙合的前端車身比后方車身更稠密。
2、采取4節(jié)點(diǎn)殼單元和8節(jié)點(diǎn)磚固體成分來(lái)降低集成方法與沙漏控制,以提高仿真效率。
3、用嚙合和大量的縮放技術(shù),到該特征長(zhǎng)度的最小單元以確保提高仿真效率。
4、材料本構(gòu)與Cowper–Symonds應(yīng)變率項(xiàng)目是用于鋼鐵零件。
5、自動(dòng)單面接觸算法是通過(guò)在模擬瞄準(zhǔn)的復(fù)雜性來(lái)進(jìn)行汽車碰撞仿真分析。
圖2 整車的有限元模型
6、點(diǎn)焊元件故障規(guī)則中說(shuō),考慮到該對(duì)標(biāo)準(zhǔn)力和剪切力,是用來(lái)模擬點(diǎn)焊連接汽車零部件。
顯式動(dòng)力有限元軟件LS - DYNA的950版本是用來(lái)模擬正面碰撞的車對(duì)剛性壁在車速為50公里/秒根據(jù)國(guó)家墜毀立法CMDVR294。一個(gè)真正的車毀人亡實(shí)驗(yàn)是在清華大學(xué)實(shí)驗(yàn)室做的汽車碰撞。通過(guò)對(duì)比時(shí)程加速度某些位置上的一個(gè)支柱0.1 s時(shí),模擬給出了一個(gè)合理的適合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,其中保證正確性的有限元模型,并給出了更好的基地,為下一步輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
3、2輕量化設(shè)計(jì)及耐撞性分析
使用高強(qiáng)度鋼,是其中一個(gè)有效的如何降低汽車重量。然而,部分績(jī)效(如耐撞性,剛度,抗凹)通過(guò)新的材料得到保證。舉例來(lái)說(shuō),前面部分的汽車是主要能源吸收部分,在這一過(guò)程中的車毀人亡,所以能源吸收性能不影響乘客,故設(shè)計(jì)的前車零件的安全性需得到保證。在這項(xiàng)研究中,研究了不同的材料來(lái)制作汽車的緩沖器,但其余的為抗凹。
低碳鋼及高碳鋼的力學(xué)性能如下(見(jiàn)表1):
評(píng)價(jià)指標(biāo)的凹痕阻力保險(xiǎn)杠用低碳鋼是
(15)
當(dāng)高強(qiáng)度鋼是用來(lái)取代低碳鋼其余的主要形狀和抗凹性能, 高強(qiáng)度鋼的新厚度可以實(shí)現(xiàn)
(16)
從公式(16)可以得到,保險(xiǎn)杠的厚度可使用高強(qiáng)度鋼得到積累和更新,在整車FE模型中。變形過(guò)程中的收獲,以新的材料取得后,車毀人亡的是重新模擬與更新部分厚度(見(jiàn)圖3)
圖3
通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)中,變形的保險(xiǎn)杠有兩種不同的材料相似,即塑料鉸鏈與張力塑性變形出現(xiàn)在部分保險(xiǎn)杠的中部。能量吸收的過(guò)程表現(xiàn)在保險(xiǎn)杠橫梁上。從圖 4可以看出兩種材料的能量吸收差異很小,約4.1 %為保險(xiǎn)杠梁吸收。從中可以得出一個(gè)結(jié)論,在這份研究中說(shuō)明的是在抗凹性的評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上,合理的減少保險(xiǎn)杠板的厚度。
圖4
4、結(jié)論
本文研究了汽車中叫小的雙曲率淺殼的抗凹性零件,使用方法如下:
1、 抗凹剛度下,集中力量,是鑒于這種零件。
2、 臨界載荷導(dǎo)致當(dāng)?shù)噩嵥橄魅踉撝行牡臏\殼已推斷, 這反過(guò)來(lái)又成為汽車零部件凹痕阻力的評(píng)價(jià)指數(shù)。
3、 有效性的評(píng)價(jià)指標(biāo),就是證明申請(qǐng)發(fā)達(dá)國(guó)家的規(guī)則向輕量化設(shè)計(jì)的保險(xiǎn)杠系統(tǒng)采用高強(qiáng)度鋼代替溫和鋼并通過(guò)耐撞性仿真
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輕型貨車驅(qū)動(dòng)橋設(shè)計(jì)
主減速器采用單級(jí)主減速器驅(qū)動(dòng)橋
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