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基于汽车内外因影响的结构强度分析策略

2014/12/10    来源:LMS    作者:刘立萍  何永清  陆子平      
关键字:强度  结构  载荷  CAE  
本文根据汽车产品开发中强度分析和试验的经验,对影响强度的结构内因和载荷外因进行分析,提出汽车产品开发过程中强度分析的有效策略,提出结构强度内外因影响因素分析对设计创新的启发作用,有利于缩短开发周期和减少开发成本,使CAE分析在汽车产品开发中越来越重要。

1 前言

    汽车的结构设计是一项系统工程。传统汽车结构设计着重于其要完成的功能,形象比喻就是“轮子加沙发”,在可操控情况下完成载人载物运输的功能。而现代汽车设计在完成运载功能的同时要求安全、舒适、操控灵敏、低成本,甚至要把握寿命期限,控制设计寿命的概率。

图1 福田汽车

图1 福田汽车

    研究汽车在载荷作用下的强度,其试验和有限元分析已经成为了很大的一个技术门类,对汽车强度给出数值模拟结果,与同类试验对比,综合判断强度是否合格,对设计给出关于强度性能的评价,承担着设计把关和验证角色。而如果将结构本身作为强度内因研究,将载荷作为强度外因研究,就牵扯到设计与分析试验不同专业人员的密切合作,当设计人员会应用分析试验手段,或当分析试验人员充分了解了设计意图,就是CAE在汽车工程领域作用最大的时候,目前正在发展进步中。

2 概念和理论

    强度是一个广义概念,包括极限静态强度,动载瞬态强度,疲劳强度等。强度的概念,是指金属材料在外载荷的作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度按外力作用的性质不同,还可以分类为屈服强度、抗拉强度、弯曲强度、扭转强度等。强度中疲劳强度的概念,是指结构在低于静态极限强度载荷的重复载荷作用下,出现断裂破坏的现象。疲劳裂纹的萌生包括六个微观过程:位错、屈服、滑移、滑移带反向屈服、裂纹萌生、裂纹扩展。其中形成一定的微观屈服区是其关键过程,疲劳极限其实是微观屈服区的临界应力。

    汽车强度直接影响汽车的功能和耐久性。强度性能好,就会赢得用户,是汽车的关键性能之一,非常重要。

    载荷,可以是汽车及其零部件上所受的力;也可以是应变、位移、加速度、加速度场、热载荷、风载荷等。

    结构,是组成设计整体的各部分的搭配和安排,是构造形式和构造材料的结合体。结构一旦设计出来,不但确定了其功能,一定意义上它的刚度、强度能力也确定了。例如:小钢勺的勺把儿在多次重复折弯后会疲劳断裂,而绳子多次折弯不会断裂,但是会被拉断,其本身内在属性决定了的。 

    在强度研究中,不仅要关注强度破坏的现象,更要关注引起强度失效的内在结构和外在载荷,因为外部载荷是强度破坏的外因,结构设计本身是强度破坏的内因。

3 强度分析策略

3.1影响强度的因素

    影响强度的因素从结构本身的内因分析,影响是根本性的:

    材料的影响。弹性模量大,屈服极限高的材料能很好地抵抗载荷作用,有良好的强度属性;目前流行采用高强度钢。高强度钢的屈服极限强度虽然有大幅度提高,但弹性模量和普通钢差异不大,能改善强度但不能改善刚度,制约了结构设计。自然界结构几乎都不是单一材料,动物植物的结构组成都很复杂,是多种材料组成的复杂结构,这些自然启示势必引导设计创新,最终使设计适应需求和环境。

    模态刚度的影响。不同结构有其固有的模态和刚度,在面积一定的情况下,球状结构比立方体结构模态和刚度都高,立方体结构又优于长方体结构,模态应力高的部位往往就是引起振动疲劳破坏的部位,刚度突变的部位也是引起强度破坏的部位,其内在强度薄弱点在外在载荷作用下综合表现强度属性。

 图2 不同结构的模态刚度

图2 不同结构的模态刚度

    表面质量的影响。表面粗糙度越差,越容易形成初始裂纹,引导裂纹生长,引起强度早期破坏;而且根据制造工艺,表面材料属性与内在机体材料属性存在较大差异,增加了强度数值仿真的难度,也是分析误差的一个直接原因。

责任编辑:吴星星
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