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基于HyperWorks汽车扭杆弹簧有限元分析与优化

作　者: 杨雪峰
导　师: 郭贵生
学　校: 西北农林科技大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 扭杆弹簧 ADAMS/Car HyperWorks 有限元 优化
分类号: U463.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


悬架性能是汽车操作稳定性和行驶平顺性的重要影响因素，弹性元件是汽车悬架的主要零件。本文以某汽车前悬架的弹性元件扭杆弹簧作为研究对象，选择汽车行驶过程中的4种典型工况进行研究并计算轮胎接地点载荷；运用ADAMS/Car仿真获得各工况下扭杆弹簧上的扭矩值；运用HyperMesh软件对扭杆弹簧进行静力分析和模态分析，获得扭杆弹簧的应力分布及变形情况；采用Matlab优化工具箱对扭杆弹簧几何尺寸进行了优化。具体研究内容和结论如下：（1）选择汽车行驶过程中4种对汽车冲击较大的典型工况进行研究，建立了前轮接地点力与轴距、质心高度等结构参数的关系方程，得出4种工况下轮胎接地点载荷值，为仿真分析提供参数条件。（2）在ADAMS/Car软件中建立某汽车前悬架模型，将接地点载荷作为已知参数加载仿真，获得各工况前悬架下控制臂球铰点的载荷，计算得到扭杆弹簧扭矩，为有限元分析提供了边界条件。（3）运用Pro/E软件建立扭杆弹簧三维实体模型；在HyperMesh软件中对扭杆弹簧进行静力分析。结果表明随着扭杆弹簧加载扭矩的增大，产生的最大应力和应变也随之增大。由静力分析结果可知，可以对扭杆弹簧尺寸参数进行优化。（4）在HyperMesh软件中对扭杆弹簧进行前10阶自由模态分析，结果表明在汽车行驶过程中不会受到路面坑洼不平、车轮不平衡等因素引起的共振，在优化设计中，可以忽略汽车固有频率的影响。（5）以扭杆弹簧变形能为目标函数，建立扭杆弹簧优化数学模型，使用Matlab优化工具箱进行优化求解，以扭杆弹簧直径和有效长度为优化目标时，得出扭杆弹簧直径为29mm，长度为1200mm。其最大变形能比原设计增加10.8%；扭杆弹簧采用环形截面时，以扭杆弹簧内径和外径为优化目标，得到扭杆弹簧内径为8mm，外径为29mm，扭杆弹簧的变形能比优化前提高6.8%。优化后的扭杆弹簧既满足使用要求，又满足轻量化设计要求，提高了乘坐舒适性。本论文将传统力学计算、机械系统仿真技术、有限元分析法相结合对扭杆弹簧进行结构设计与分析，提升了扭杆弹簧的综合性能，保障了车辆的行驶平顺性。本文的研究对汽车扭转弹簧的设计具有重要的现实意义。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章 绪论  10-17
  1.1 课题研究目的与意义  10-11
  1.2 国内外研究概况  11-12
  1.3 课题研究的主要内容  12-13
  1.4 研究方法与技术路线  13-17
    1.4.1 研究方法  13-16
    1.4.2 技术路线  16-17
第二章 悬架理论与扭杆弹簧设计研究  17-26
  2.1 汽车悬架理论  17-21
    2.1.1 汽车行驶系  17-18
    2.1.2 汽车悬架理论  18-21
  2.2 扭杆弹簧设计方法  21-25
    2.2.1 扭杆弹簧形状  21
    2.2.2 扭杆弹簧设计计算  21-25
  2.3 本章小结  25-26
第三章 扭杆弹簧载荷分析  26-45
  3.1 多体系统动力学基本理论  26-30
    3.1.1 ADAMS 采用的建模方法  26-29
    3.1.2 ADAMS 的方程求解方案  29-30
  3.2 典型工况下轮胎接地力计算  30-39
    3.2.1 扭杆弹簧所受扭矩获取方法  30
    3.2.2 典型工况选择和轮胎接地力计算  30-39
  3.3 扭杆弹簧扭矩获取  39-43
    3.3.1 ADAMS 软件坐标系和悬架坐标系分析  39
    3.3.2 某汽车前悬架扭杆弹簧扭矩获取  39-43
  3.4 本章小结  43-45
第四章 扭杆弹簧有限元建模与分析  45-58
  4.1 有限元理论  45-47
  4.2 扭杆弹簧有限元建模  47-52
    4.2.1 模型导入及几何清理  48-49
    4.2.2 单位制及材料属性定义  49-50
    4.2.3 有限元网格划分  50-51
    4.2.4 创建边界条件  51-52
  4.3 扭杆弹簧有限元分析  52-57
    4.3.1 扭杆弹簧有限元静力分析  52-54
    4.3.2 扭杆弹簧模态分析  54-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章 扭杆弹簧优化设计  58-66
  5.1 结构优化设计理论  58-62
    5.1.1 结构优化数学模型  58
    5.1.2 建立扭杆弹簧数学模型  58-62
  5.2 扭杆弹簧尺寸优化设计  62-63
  5.3 优化后扭杆弹簧有限元分析  63-65
  5.4 本章小结  65-66
第六章 结论与展望  66-68
  6.1 结论  66-67
  6.2 展望  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
作者简介  72

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中图分类: > 交通运输 > 公路运输 > 汽车工程 > 汽车结构部件 > 行走系统 > 悬挂
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