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原文传递负泊松比结构汽车悬架缓冲块的力学性能研究与优化设计

论文题名：	负泊松比结构汽车悬架缓冲块的力学性能研究与优化设计
关键词：	微孔聚氨酯弹性体汽车;悬架缓冲块;负泊松比结构;优化设计;力学性能
摘要：	微孔聚氨酯弹性体汽车悬架缓冲块具有较好的吸能效率，与螺旋弹簧和减振器相结合构成汽车的减振系统，能够产生总体的“渐进性”弹性，可以明显提高整车的平顺性。但是受到传统聚氨酯缓冲块的结构限制，缓冲块的载荷－位移曲线难以达到最为理想的区域，因此整车的平顺性还有进一步提高的空间。　　为提升整车的NVH性能，创新性地将负泊松比结构应用于汽车悬架缓冲块。通过有限元数值分析与实验测试等手段，对传统聚氨酯缓冲块和负泊松比缓冲块的力学性能进行研究，分析结构参数对负泊松比缓冲块力学性能的影响，运用虚拟样机技术进行缓冲块的评价，并以经过凸台障碍物时的加速度峰值最小作为目标进行参数优化。本学位论文的主要工作和研究成果包括以下几个方面: 　　(1)提出了一种用于自结皮聚氨酯材料的有限元分析的分层计算方法，应用泡沫模型对聚氨酯材料内部区域进行建模，并分别按照一定的比例系数设定表皮层和过渡层的材料应力－应变曲线为内部区域聚氨酯材料的倍数，分析结果表明该分层计算方法在中等应变范围以内具有一定的准确性。　　(2)建立了二维双箭状负泊松比结构单元的理论解析模型，得到了结构单元的等效杨氏模量和等效泊松比与结构参数之间的数学关系式，确定了结构发生弹性屈曲或塑性塌陷的条件，基于二维双箭状负泊松比结构设计出了一种负泊松比悬架缓冲块。　　(3)提出了一种基于Matlab程序与Abaqus二次开发技术的负泊松比缓冲块参数化建模与分析方法，开发了负泊松比缓冲块的参数化建模与分析软件，能够显著提高计算效率。针对负泊松比悬架缓冲块样件进行了有限元显式计算，其刚度在小位移区域时几乎为线性，在中等位移时缓冲块停止收缩并开始膨胀，而载荷-位移曲线的斜率则逐渐增大。研制了负泊松比缓冲块样件，进行了单轴压缩实验，结果表明数值计算与实验结果较为吻合。在滞弹性方面，负泊松比缓冲块样件在整个变形过程中吸收了49.3％的压缩能量。与传统缓冲块相比，负泊松比缓冲块的载荷－位移曲线在小位移区域线性度较高，在中等位移区域具有较平滑的过渡区域，并且过渡区域向右移动，有利于提升整车的NVH性能。　　(4)研究了单元数、层数、层高、层厚和材料杨氏模量等参数对负泊松比缓冲块力学性能的影响，提出了以理想曲线为目标的负泊松比缓冲块主要参数的优化方法，通过单元数与层数的调整，优化载荷－位移曲线的过渡区域，调整层高、层厚与材料等效杨氏模量优化负泊松比缓冲块的刚度。　　(5)提出了脉冲试验评价缓冲块性能的方法。基于Adams/Car建立了悬架系统及整车虚拟样机，悬架系统的力学分析结果表明负泊松比缓冲块在间隙参数受到其它设计指标限制时，能够实现较为理想的悬架刚度曲线。基于整车虚拟样机，进行了整车驶过凸台路面和凹坑路面的平顺性分析，得出应用负泊松比缓冲块，各种车速下驶过凸台路面和凹坑路面的加速度峰值均有一定的降低，提高了整车的平顺性。　　(6)提出了以整车驶过凸台障碍物时的加速度峰值最小作为目标进行负泊松比缓冲块的参数优化方法，建立了加速度峰值的高斯过程代理模型，使用了GA-SQP混合算法进行优化计算。GA-SQP混合算法使得优化过程在经过一定数量的迭代步后能够逃离局部最优，靠近全局最优解，优化后加速度峰值降低了13.3％，通过高斯过程代理模型得到的目标值的误差为5.5％，证明建立的代理模型是可靠的，并能显著提高优化效率。
作者：	王源隆
专业：	车辆工程
导师：	王良模
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文