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原文传递某电动轿车转向节疲劳寿命分析与疲劳载荷谱编制方法研究

论文题名：	某电动轿车转向节疲劳寿命分析与疲劳载荷谱编制方法研究
关键词：	电动轿车;转向节;疲劳寿命;耐久性分析;有限元模型
摘要：	为了提高电动轿车的行驶里程，需要对其进行进一步的轻量化。铝合金零部件在电动轿车上的应用越来越多。但电动轿车在轻量化的同时，需要验证其零部件的疲劳耐久性能。在当前汽车开发迭代越来越快的前提下，较为准确且快速预测电动轿车轻量化后零部件的疲劳寿命，成为汽车行业的迫切需求。　　随着汽车试验技术与仿真技术的不断发展，在汽车开发周期中，采用整车试验场耐久性道路试验与虚拟仿真相结合，再对比关键零部件疲劳耐久台架试验进行耐久性分析与验证，能够有效提高疲劳寿命预测精度并缩短整车的开发周期。本文以某电动轿车轻量化铝合金转向节为研究对象，以在汽车试验场采集的道路谱信号为基础，结合多体动力学、虚拟迭代、载荷分解、有限元、疲劳损伤、疲劳耐久台架试验、载荷谱编制等关键技术，对电动轿车铝合金转向节的疲劳寿命预测、验证及载荷谱编制方法开展了系统研究。　　整车多体动力学模型是进行载荷虚拟迭代和载荷分解的基础，为了提高多体动力学模型精度，分析并选择了某电动车各个子系统合理的建模方法。基于实车数据，建立了前后悬架、稳定杆、车身和转向系统等子系统模型，并进行了整车多体动力学模型装配。以实际整车状态参数验证了整车多体动力学模型的准确性。　　在汽车试验场进行了整车耐久性道路试验，为了保证后续进行载荷虚拟迭代和载荷分解仿真时，路谱信号的准确性，对采集得到的路谱信号进行了有效性确认、异常信号清除、滤波及重采样处理。总结并分析了常用的汽车零部件载荷谱提取技术，为了提高仿真精度，采用轮心垂向位移与其余轮心五分力共同驱动的载荷加载方法，来获取转向节接附点疲劳分析载荷谱。为了得到车轮轮心垂向位移，采用载荷虚拟迭代技术，以车轮轮心六分力为主的实测路谱信号为响应信号，反求出车轮轮心垂向位移。然后，以轮心垂向位移及轮心其余五分力为激励，驱动整车多体动力学模型，通过载荷分解方法，提取了转向节接附点疲劳分析载荷谱。　　基于三维模型，建立了电动轿车铝合金转向节有限元模型，进行惯性释放分析，得到了单位载荷下转向节的应力分布图。基于转向节疲劳载荷谱、有限元分析结果和材料的S-N曲线，进行了转向节疲劳寿命预测分析，得到转向节疲劳破坏危险区域及危险点。计算分析得到了转向节疲劳寿命满足国家机动车相关规定的结论。　　为了进一步验证基于有限元分析结果的转向节疲劳寿命预测方法的正确性，对转向节加载点各方向对结构疲劳损伤的贡献程度进行分析，制定出了转向节疲劳台架试验方案，进行了铝合金转向节疲劳台架试验，转向节在基础循环次数内未出现疲劳断裂现象，表明转向节疲劳寿命满足相关标准规定，验证了转向节疲劳寿命预测结果的有效性。转向节在试验终止循环次数时，出现了疲劳裂纹和断裂现象，在台架试验终止循环次数加载方案下，对转向节进行疲劳寿命预测仿真，通过对比试验与仿真的结果，验证了基于有限元分析结果的转向节疲劳分析方法的正确性。　　为了提高汽车整车及零部件疲劳台架试验的效率，载荷谱加速方法越来越多地被研究和应用。本研究针对汽车疲劳台架试验，进行了加速试验所用的疲劳载荷谱编制方法的研究。通过分析各种疲劳载荷谱编制方法的优劣势，选用时域损伤编辑法对实测路谱进行了加速处理。对原始载荷谱和加速载荷谱在雨流计数、穿级计数、功率谱密度、冲击响应谱、统计特性和疲劳分析结果等方面进行了对比，验证了加速载荷谱具有一定的精度，且大幅度降低了加载时间。
作者：	何正规
专业：	工业设计工程
导师：	肖宏伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2022