CN100386237C - 基于结构强度变化特性的汽车结构轻量化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构强度变化特性的汽车结构轻量化设计方法，步骤为：1.通过强度试验或计算确定给定载荷条件下结构的强度变化；2.结合结构的动态强度增长模型，获得结构的临界载荷；3.对结构进行结构有限元分析，计算临界载荷时对应的应力；4.减重结构应力的确定和减重设计。利用这种方法，可使结构获得有限寿命，实现根本意义上的轻量化。这种方法将结构强度试验与理论分析相结合，具有较高的可靠性和可操作性。基于这种方法，可以使结构在使用中的强度得到充分发挥。对于新设计结构，由于缺少样机进行强度试验，可以根据结构的低载强化特性对结构在试验载荷下的强度增长进行预估，进而计算出结构的临界载荷，实现汽车轻量化设计。

Description

基于结构强度变化特性的汽车结构轻量化设计方法

技术领域

本发明涉及一种汽车结构轻量化设计方法，尤其是一种应用结构强度变化和结构的低载强化来实现汽车结构的轻量化设计方法。

背景技术

长期以来，我国的汽车设计采用经验和类比的方法。而欧美、日本等国外公司经历了渐进发展的路子，从最初的粗放设计(以经验和类比为基础)经过强度可靠性设计(以对使用载荷以及材料和结构的疲劳强度研究成果为基础)再到目前的轻量化设计(以高强度材料开发和高科技的工艺技术为基础)。

近年来，国外大汽车公司为了应对日益激烈的全球竞争，进一步向轻量化方向发展。他们大多采用高强度(如TRIP钢、铝合金以及合成材料等)材料来实现整车轻量化，但却大大增加了成本。当汽车结构、载荷特性以及结构在各种载荷下的疲劳强度变化规律缺乏深入研究时，即使采用新材料也并不一定能保证结构重量最轻。

我国的汽车与国外先进水平相比存在较大差距，结构过重造成的整车动力性和燃油经济性差、成本过高则尤为突出。新一轮的汽车轻量化——大量应用新材料与我国经济比较落后的市场状况不太协调。虽然很多结构轻量化设计都采用有限元分析技术使结构应力分布更合理，但是缺少明确可行的轻量化设计评价准则，只是将设计应力控制在许用应力之下，使得结构仍是无限寿命。因此，这种结构仍有较大的减重空间。

钢制结构件及其材料具有一个重要特性，在一定的循环载荷的反复作用下，其静强度和疲劳强度值会发生变化。汽车使用过程中，结构件主要承受交变的随机载荷，其强度将在一定程度上发生变化。在疲劳裂纹萌生以前，对于低于(但接近)临界载荷的大量低幅载荷会使强度增加；远低于临界载荷的大量低幅载荷(比如低于40％临界载荷)使强度保持不变。由于使用载荷比较随机，且多数载荷数值比较小，对结构件的强度评价主要以试验载荷为准。多年来，对前桥、后桥等结构件按标准完成静强度和疲劳寿命试验后，即可以评定其能否满足使用可靠性要求，忽略了对设计水平或材料潜力是否充分发挥等方面的评价。

为了用试验结果来指导结构的轻量化设计，有必要在完成静强度和疲劳寿命试验后，测定结构的剩余强度，获取结构件强度变化状态的信息。如果试验后静强度上升，表明试验载荷对于该结构来说仍是小载荷，结构的轻量化潜力较大。最合理的结构是在试验完成后，结构的静强度值衰减至试验载荷的峰值。在没有精确的理论依据时，为安全起见，可以把结构设计参数控制在一种略微安全的状态，即试验完成后，其静强度值维持不变或略微有所降低。这种“不变”是在经历一个升高过程后静强度又回落至原来的数值。如果试验载荷相对结构静强度过小(强度大大过剩)，试验过程中静强度值也将维持“不变”。这时结构没有经历低载强化过程，材料的潜力得不到充分发挥。

发明内容

本发明目的是为了改变目前我国的汽车结构件设计方法中缺少明确可行的轻量化设计评价准则，汽车结构件设计仍有较大的减重空间的现状，提供一种基于结构强度变化特性的汽车结构轻量化设计方法。

本发明的技术方案是：一种基于结构强度变化特性的汽车结构轻量化设计方法，其特征在于，具体的步骤如下：

1、通过强度试验或计算确定给定载荷条件下结构的强度变化量；

2、结合结构的动态强度增长模型式(1)，获得结构的临界载荷

(参见农业机械学报杂志，1999，30(4)：83-87上的“经受低幅交

变载荷后车辆零件屈服强度增长规律的研究”一文)

$\lg \frac{Q_b}{Q_0}=\lg \frac{p_0}{p_a}\lg \frac{n}{{10}^5},(p_a<p_0)---\left(1\right)$

式中结构初始静强度为Q₀，结构在幅值为p_a的载荷下循环加载n次后，其静强度升至Q_b，p₀为结构的临界载荷；该方程建立了结构静强度与疲劳载荷及其作用下的循环次数的关系，也反映出在循环载荷作用下，结构的静强度在发生变化(稳定上升)。

(3)结构有限元分析：

借助有限元分析建立结构的应力和静强度的关系，以其间接建立应力与临界载荷的关系；计算临界载荷时对应的应力并由此而得到结构静强度和疲劳强度之比，在结构轻量化设计时，维持结构疲劳强度与静强度之比不变；

(4)进行减重结构应力的确定和减重设计：

结构减重意味着在相同的载荷下结构承受的应力将增加，根据结构的耐久寿命保证结构应力，同时还必须满足结构有足够的刚度。因此，结构轻量化设计过程在中要经过反复的有限元计算。

本发明所述的方法将结构强度试验与理论分析相结合，具有较高的可靠性和可操作性。基于这种方法，可以使结构在使用中的强度得到充分发挥。对于新设计结构，由于缺少样机进行强度试验，可以根据结构的低载强化特性对结构在试验载荷下的强度增长进行预估，进而计算出结构的临界载荷，实现汽车轻量化设计。

本方法深化了有限元方法在结构轻量化设计中的功能。利用本方法，可以使结构获得有限寿命，因而实现根本意义上的轻量化。这种方法可为其它地面运输车辆、各类机械加工机床以及众多固定作业机械的结构轻量化设计提供技术参考。

附图说明

图1为基于强度变化特征的结构轻量化设计方法流程图；

图2为某前桥主梁的应变测量点位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实例对本发明作进一步的说明。

一种基于结构强度变化特性的汽车结构轻量化设计方法：

以5吨载重汽车前桥的设计为例，设计流程见图1，方法步骤为：

1、通过强度试验确定给定载荷条件下结构的强度变化量：

根据给定载荷循环后测定的结构件静强度，利用式(1)可以很方便的求出结构的临界载荷p₀。临界载荷在物理意义上类似于材料的疲劳极限，对应于使结构疲劳寿命为10⁶次的载荷。由于从材料参数推断结构的疲劳极限需要考虑很多不确定性因素和参数，因此，由实验结果计算得到的临界载荷综合考虑了这些不确定性因素和参数。对于5吨载重车的前桥，其前桥主梁为工字梁，对一组前桥进行强度试验(包括剩余强度强度测定)，确定前桥在试验载荷条件下的结果强度变化，试验结果如表1：

表1.前桥的强度试验

前桥静满载荷kg	初始静强度kg	疲劳循环次数次	疲劳试验载荷幅值kg	疲劳试验后静强度kg
					3200	27600	10<sup>6</sup>	4800	30920

从表1可以看出，经过10⁶次循环加载试验(循环比r＝0.1)后，该前桥的静强度值增长了12％。

$\frac{30920-27600}{27600}\&times;100\%=12\%$

2、结合结构的动态强度增长模型式(1)，获得结构的临界载荷：

将表1中的数据代入式(1)，可以得到该前桥的临界载荷p₀＝5252kg。即在幅值为5252kg的载荷下试验循环100万次，将不发生损坏。按我国标准，该前桥在幅值为4800kg的载荷下平均寿命70万次即达到要求。按国外某公司的标准，该吨位汽车的前桥只需在幅值为3200kg的载荷下试验循环100万次不发生损坏即达到要求。可见即使按国内苛刻的标准评价，该前桥仍有较大减重的余地。为了在满足标准要求的条件下进一步减重，首先必须通过有限元确定结构的应力水平及分布。

3.结构的有限元分析

虽然经过试验和计算，得到静强度和疲劳强度(临界载荷)的具体数值，但是要进一步设计结构的尺寸，必须有参考依据。为此，借助有限元分析建立结构的应力和静强度的关系，以期间接建立应力与临界载荷的关系。

由于有限元模型提供了比较准确的载荷与应力的关系，可以将危险点的应力变化作为评价设计的基准。经过有限元计算(图2和图3为有限元模型和测点分布)得到前桥主梁的主要或危险点的应力计算结果见表2。

表2前桥主梁主要测点的应力测量和有限元计算对比

测点	1	2	3	4	5	6	7	8
									测量结果(MPa)	-184.1	-217.4	-341.2	-262.4	312.1	320.2	304.1	228.7
计算结果(MPa)	-190.2	-221.9	-352.7	-282.6	322.3	329.7	313.6	247.9

注：“-”表示压，“+”表示拉；有限元计算结果的标定载荷为10000kg。

从表2中可以看到，经过有限元计算，位于弹簧座内侧下方的6#测点最危险。由于该有限元模型提供了比较准确的载荷与应力的关系，可以将该点的应力变化作为评价设计的基准。

根据方法第1步得到了结构静强度和疲劳强度的具体数值，如果进一步轻量化，按动态强度方程，前桥的临界载荷值应适当降低，同时初始静强度也将随之降低。为了增加可比性和可推广性，以应力代替载荷作为强度参数。

4.计算临界载荷时对应的应力：

根据有限元计算结果，该前桥的初始静强度对应的应力为：

S_b＝27600/10000×320.2＝883.75MPa

按照有限元计算确定的载荷与应力的关系，临界载荷为5252kg时对应的应力为：

S₀＝5252×320.2/10000＝168.17MPa

由此可以得到该前桥结构疲劳强度与静强度之比为：班室

k＝168.17/883.75＝0.19＝19％

重新设计前桥结构尺寸时，一般维持此比例关系不变。

5.进行减重结构应力的确定和减重设计：

(1)减重结构应力的确定

结构减重意味着在相同的载荷下结构承受的应力将增加。由结构的动态强度增长模型式(1)，比较合理的结构强度，应能使结构在载荷作用下，静强度值基本保持不变。这样，对于本实施例，前桥的合理强度(按我国标准)应是结构在4800kg的(标准规定)载荷下静强度值基本保持不变或有略微降低。因此，减重后的前桥，其临界载荷应为p₀₁＝4800kg。

由此得到本例子的减重目标为：将前桥原结构的临界载荷5252kg降低至4800kg。这与目前流行的通过有限元分析将结构的应力控制在许用应力之内是有实质性区别的。

根据有限元建立的分析模型，减重前，试验载荷幅为4800kg对应的应力为：

S_ap＝4800×320.2/10000＝153.70Mpa

减重后，前桥在试验载荷幅为4800kg时对应的应力应为原临界载荷对应的应力，即：

S_an＝168.17Mpa

进行第二次有限元分析(有限元模型和测点如图2和图3)时，在标定载荷(10000kg)下，同样测点的应力应为：

S_cn＝168.17×320.2/153.70＝350.34Mpa

按目前应力确定的结构，在试验条件下为有限寿命，即10⁶次。这不同于无限寿命设计。

(2)减重设计

前桥作为安全件，耐久寿命是必须保证的。为了车辆的正常行驶，还必须保证前桥有足够的刚度(包括垂向刚度、侧向刚度和纵向刚度)。因此，在减小结构尺寸时，需要保证前桥横截面有足够的高度，中柱有适当的宽度。根据新的标定应力，对有限元分析模型进行修改。主要是减小结构尺寸，使相同载荷下应力适度增加。

经过反复计算，将中柱减薄4mm，上、下翼面各收缩4mm，横截面高度减小2mm，此时，原测点处的计算应力

S_cn＝347.75Mpa

其余测点的计算应力均有不同程度的提高。考虑工程实际，这样的改进是基本可行的。如果单纯追求危险测点的理论应力(350.34Mpa)的一致性，结构上许多尺寸不便于实现。按此尺寸得到的前桥结构，理论减重为4.5kg。对于年产12万件前桥的制造厂，仅此改进每年就可节省材料540吨。

Claims (1)

1.一种基于结构强度变化特性的汽车结构轻量化设计方法，其特征在于，具体的步骤如下：

(1)通过强度试验或计算确定给定载荷条件下结构的强度变化量；

(2)结合结构动态强度增长模型式(1)，获得结构的临界载荷：

$\lg \frac{Q_b}{Q_0}=\lg \frac{p_0}{p_a}\lg \frac{n}{{10}^5}$ (P_a＜P₀)    (1)

式中，结构初始静强度为Q₀，结构在幅值为p_a的载荷下循环加载n次后，其初始静强度升至Q_b，p₀为结构的临界载荷，即疲劳强度；

(3)结构有限元分析：

借助有限元分析建立结构的应力和初始静强度的关系，以其间接建立应力与临界载荷的关系；计算临界载荷时对应的应力并由此而得到结构初始静强度和疲劳强度之比，在结构轻量化设计时，维持结构疲劳强度与初始静强度之比不变；

(4)进行减重结构应力的确定和减重设计：

根据结构的动态强度增长模型进行减重结构应力确定，使得减重后的结构在载荷作用下使结构的静强度值基本保持不变；结构减重意味着在相同的载荷下结构承受的应力将增加，根据结构的耐久寿命保证结构应力，同时还必须满足结构有足够的刚度，因此，结构轻量化设计过程中要经过反复的有限元计算。

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