汽车零部件的载荷及其强度计算方法.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,有感现在大学生、研究生连教材书都没有,2011-11-21,竹帛烟消帝业虚，,关河空锁祖龙居。,坑灰未冷山东乱，,刘项原来不读书。,汽车零部件的载荷及其强度计算方法,第,2,章,第,2,章 讲课内容,2.1,汽车零部件损坏形式及对策,2.2,各种工况下轮胎上载荷,2.3,发动机转矩引起的载荷,2.4,汽车零部件的强度计算,2.5,汽车零部件的许用应力与安全系数,补充内容：,（,1,）可靠性设计方法,（,2,）疲劳计算方法,（,3,）应用案例,2.1,汽车零部件损坏形式及对策,汽车零部件损坏形式,（,1,）静强度失效,一般受到冲击载荷,（,2,）疲劳失效（,90%,）,周期性动载,讨论环节：越野车传动系统故障分析,浏河沙地比赛越野车的战果,动载,设计,安装、保养和维护,材料、铸造工艺,载荷来源,底盘、车身零部件载荷来源,内部：发动机,外部：地面、风载,防止零部件损坏对策,为了使汽车产品具有需要的工作寿命、耐久性和可靠性,（,1,）,设计,：进行行驶试验（包括仿真），确定载荷。,（,2,）,分析,：对零部件进行静态应力分析，疲劳寿命估计,（,3,）,试验,：进行强度试验、耐久性试验，检验疲劳寿命,最大垂直力工况,最大侧向力工况,最大制动力工况,最大驱动力工况,2.2,各种工况下轮胎上载荷,最大垂直力工况,最大垂直力,=,满载,+,最大动载荷,讨论：,（,1,）为什么动态载荷与轮胎的垂直刚度有关？,（,2,）耐久性性动载系数和静强度动载系数区别？那一个大？,（,3,）在那种情况下，轮胎会出现最大垂直力？,最大侧向力工况,讨论：,（,1,）试验表明，普通轿车直线行驶时侧向力所引起的应力比转弯行驶时要高（请问原因是什么？）。,（,2,）在什么情况下，出现最大侧向力？,图,2-8,所选择的侧向力,F,L,的方向应该使其引,起的弯矩与垂直力,F,V,引起的弯矩相加,其中，,是侧向力系数,车桥在侧向力情况下的受力分析,图,2-9,第三种侧向力工况（左、右两侧车,轮受到的侧向力,FL,方向相同）,强度分析的条件是最坏的工况,垂直力与侧向力联合作用,制动时，由于制动减速度，导致前轮载荷增加，后轮载荷减少。加速时后轮载荷增加，前轮载荷增加。,前轴的最大制动力,F,Bf,可以表示为：,其中，,是轮胎,-,地面附着系数,最大制动力工况,对前轮最大制动力（水平方向）与垂直力的组合为：,最大驱动力工况,在加速时，作用在前轮上的垂直负荷时减少的。用于静强度计算的前轮驱动工况如下：,（,2-15,）,（,2-16,）,其中，,F,A2f,是一个前轮上的驱动力，它是一种纵向力,F,A,（见图,2-2,），,F,Vof,是一个前轮的满载静负荷；,F,VA2f,是驱动时一个前轮上的垂直力。,2.3,发动机转矩引起的载荷,在汽车中，如果汽车装备了手动四挡变速器，为了计算传动轴的疲劳强度，应该采用如下公式计算转矩：,（,2-19,）,其中，,T,t1,是传动轴疲劳强度计算转矩；,T,emax,是发动机最大有效转矩；,i,3,是手动四挡变速器第三挡（次高挡）的传动比。,2.4,汽车零部件强度计算,静强度许用应力,材料的选择,2.5,汽车零部件的许用应力与安全系数,疲劳强度许用应力的估计,目前并无很好的预测疲劳的方法，一般通过标准试验获取零件在不同正负交变应力循环下的疲劳寿命，然后增加一些修正系数，描述疲劳寿命的改变与尺寸、形状、表面加工质量等因素。,无限寿命,就钢材而言，当其承受正、负（拉和压）相等的交变应力时，其疲劳强度（材料能够承受的最大应力值）随材料可以承受的交变次数的增加而减小，如图,2-11,所示。当可以承受的交变次数达到,10,7,次以上时，疲劳强度就变成了一个固定值，称其为持久极限。,持久极限一般只有静强度的,40%50%,。,应力低于持久极限时，材料具有无限寿命。,图,2-12,材料疲劳强度极限图,低周疲劳与高周疲劳,低周疲劳,：作用于零件、构件的应力水平较高，破坏循环次数一般低于,104,的疲劳，压力容器的疲劳属此类。,高周疲劳,：作用于零件、构件的应力水平较低，破坏循环次数一般高于,104,的疲劳，弹簧、,传动轴,等的疲劳属此类。,可靠性计算,安全系数法的缺点：,没有定量的考虑抗力和荷载效应的,随机性,，而是靠经验或工程判断的方法确定，带有,主观成分,。定的高或低依据不充分。,以概率理论为基础的极限状态设计法：,本质是将,荷载效应,S,及,结构抗力,R,看作是,两个随机变量,应用,概率论和数理统计,的理论去研究结构的可靠度。,以概率论为基础的设计方法分为三个水准：,水准,半经验半概率法；,水准,近似概率法；,水准,全概率法。,三,.,失效概率,失效,指,结构或结构的一部分,不能满足,设计所规定的,某一功能要求,，即,达到或超过了,承载能力极限状态,或,正常使用极限状态,中的某一极限。,失效概率,指,结构结构处于失效状态下的概率,p,f,。,结构极限状态函数,又称结构功能函数,当,时，结构已达极限状态，称为,极限状态方程,。,Z,=,R,-,S,若仅以,荷载效应,S,，,结构构件抗力,R,作为两个基本,随机变量,，功能函数表示为,Probability of failure,结构功能的表达,(,极限状态方程）,Z=R-S,0,或,S,R,可靠,Z,=R-S=0,或,S,=,R,极限状态,Z=R-S,R,失效,极限状态方程,Z=0,或,R-S=0,R,S,Z,0,可靠区,重叠区的大小反映了抗力,R,和荷载效应,S,之间的概率关系，即结构的失效概率,从结构安全的角度，,提高,结构构件的,抗力,R,，,减小,抗力,R,和荷载效应,S,的,离散程度,，可以,提高,结构的,可靠程度,，即,提高,R,S,，,减小,R,、,S,可使,失效概率降低,。,f(r,s),S,，,R,S,R,S,R,m,R,-,m,S,结构处于可靠状态下的概率，称为可靠概率,p,s,，,p,s,=1-,p,f,。,标准差,S,、,R,平均值分别为,S,、,R,疲劳寿命计算方法,疲劳累计模型,疲劳极限图,金属疲劳有一种假设，就是长期的积累，每个受力循环都会有记录）,金属疲劳在物理上是一种裂纹扩展的过程。,图,2-12,材料疲劳强度极限图,线性疲劳损伤积累假说及其应用,稳定变应力和非稳定变应力,变应力的变化方式,线性疲劳损伤积累假说：,在零件受变应力作用发生裂纹到破坏的过程中，零件材料内部的损伤是逐渐累积的，每一次应力的作用都会使零件受到微量的损伤，当这种损伤累积到一定程度达到疲劳极限后就发生疲劳断裂。这一理论的根据是，材料在失效前所吸收的总功都是相等的，而与作用的应力的变化方式（应力谱）无关。,寿命总损伤率：,零件发生疲劳破坏时,大量的试验表明，总寿命损伤率约在,0.72.2,之间，为计算方便起见，通常取,1,。,非稳定变应力下安全系数的计算方法：,基本思想：,首先要将非稳定变应力折算成一个等效变应力，然后按稳定变应力的安全系数计算方法进行计算。,路谱,（,1,）路面不平度的功率谱密度曲线,（,2,）路面不平度可分为长波、短波和粗糙纹理，长波引起车辆的低频振动，短波引起车辆的高频振动，而粗糙纹理引起轮胎的行驶噪音。,（,3,）,意义,：为随后的实验室台架试验或者多体动力学仿真分析提供可靠地数据支持，从而使工程师对汽车各构建的疲劳寿命能够做出准确的预测与判断。,图,6-3,各种路面的空间功率谱,功率谱是把时间和空间上变动的有效值的平方作为频率成分的分布来表示的。,图,6.4,功率谱密度,工程软件应用案例,建立有限元模型,汽车桥壳的有限元计算,添加载荷,前桥载荷与约束,桥壳位移分布云图,桥壳应力分布云图,（,1,）采用,Ansys,软件,（,2,）柔体,-,柔体的接触,（,3,）运动定义,鼓式制动器的接触有限元分析,在模型中鼓和蹄片均采用,solid45,实体单元，用,beam188,单元模拟轮辐。按接触向导生成接触对。加上适当的边界条件和载荷，通过分析，可以得到整个制动器的应力分布、蹄片上的压力分布规律以及制动力矩的大小。另外还可以设置不同的摩擦系数来模拟不同摩擦材料对制动力矩的影响。,有限元模型,制动鼓转动,前后的径向,变型图,制动鼓转动,前后蹄片上,的压力变化,制动鼓转动,前后蹄上的,应力变化,某载货车前轴有限元分析,对前轴在分别承受,4500KG,4600KG,4800KG,轴荷，在垂直弯曲、紧急制动、侧滑等三种工况下进行了刚度和应力有限元分析，针对分析结果给出了评价。,建立有限元网格模型,1.,本次分析计算所使用的软件为,MSC.Nastran,2.,根据提供的二维图纸进行几何建模及有限元建模，前轴和转向节通过,主销轴和轴承连接在一起，在计算时考虑了上述部件之间的接触和摩,擦作用，并采用接触单元模拟其运动关系。前轴和转向节三维几何造,型如图,1,所示。前轴为对称结构，对其一半进行有限元划分，共划分,单元,120047,个，节点,28781,个。有限元模型如图,2,所示。,3,前轴材料为,45,钢，转向节为,40Cr,，转向节主销为,20MnCrTi,计算时,取泊松比,=0.29,，弹性模量,E=2.07E+5MPa,。,受力及约束,前轴是汽车行驶系的主要承载部件，也是载重汽车的重要保安件。汽车行驶时，其受力十分复杂。汽车在行驶时，前轴所受载荷有三种工况，对三种危险工况进行了计算分析。,垂直弯曲工况,前轴总成承受垂直方向冲击载荷作用（见图,3,），计算时前轴单边垂直力取满载轴荷的,2.5,倍，并以分布力的形式作用于钢板弹簧座上，在转向节轮距处施加位移约束。,紧急制动工况,汽车制动时，由于惯性力的作用，使前、后轴荷重新分配，前轴载荷增大，此时，前轴承受垂直力、前后力和扭矩等共同作用。计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处，扭矩的施加是通过在钢板弹簧座,4,个螺栓孔中心分别施加方向相反的集中力实现的，在转向节轮距处施加位移约束。,侧滑工况,汽车转弯时，由于侧向惯性力的作用，使左右车轮载荷重新分配，且两侧受力不等，前轴、转向节受垂直力和侧向力作用，这里取受力较大一侧进行计算。计算时将上述载荷施加于钢板弹簧座处，在转向节轮距处施加位移约束。,工程软件的应用,运动学分析，采用,Adams,软件,静力学分析，采用,Ansys,软件分析,碰撞分析，采用,lsdyna,软件分析,一些分析，采用,abaqus,natran,patran,等工程应用软件。,动力学分析,采用,Carsim,simulink,等软件,工程软件可帮我们快速的解决可解决的问题，只是减少了时间。（当然，这一点也很重要）,工程软件并不能解决所有问题，也并不能从根本上提高产品质量。主要原因：工程软件并非万能，只是已有比较成熟的研究成果的集成。目前，还有很多问题有待研究。,目前工程软件对一些不确定性因素难以考虑。材料力学性能随温度、使用条件等情况下的波动等。,工程软件犹如登山时的索道可快速到达山顶，只能快速解决某类问题。,讨论与调查环节,（,1,）大家会用那几种软件？,（,2,）导师要求学习什么软件？,（,3,）软件如何学习？,（,4,）软件与理论如何联系起来？,