CN112001082B - 一种工字梁前桥轻量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种工字梁前桥轻量化方法，包括以下步骤：采集汽车载荷谱数据进行雨流循环计数，构建载荷变程与频次关系，并计算各级载荷损伤并等效到最大损伤；根据所述最大损伤计算等效次数，并结合所述载荷变程与频次关系与应力寿命曲线得到用户目标里程下对应的应力限值；构建工字梁优化模型，获取所述工字梁优化模型的约束条件，所述约束条件包括所述应力限值；根据所述约束条件求解所述工字梁优化模型，得到前桥工字梁截面优化参数，获得轻量化前桥；对所述轻量化前桥进行验证。本发明的轻量化方法通过调整上下翼面厚度使得中性面位置下移，降低工字梁截面整体的拉应力，使得大部分截面承受压应力作用，提高前桥寿命。

Description

一种工字梁前桥轻量化方法

技术领域

本发明属于汽车部件处理技术领域，具体涉及一种工字梁前桥轻量化方法。

背景技术

工字梁是汽车前桥上的重要承载部件，一般采用辊锻成型，其两端拳部与前桥轮端连接，中间对称设有板簧支座，用于与板簧连接。现有技术的工字梁为前后左右对称结构，工字梁的两拳部前后各设置有一个限位凸台，在工字梁的上表面设置有两个板簧支座，在板簧支座上设置有安装孔。而现有的工字梁结构笨重，没有充分的利用材料，工字梁整体应力分布不均，导致局部刚度较大，不利于整车轻量化的实现。现有的前桥轻量化方法主要是通过结构优化设计，在强度过剩的部位采取减小尺寸，或使用高强度钢、镁铝合金等的材料优化设计以及采用先进的制造工艺来达到轻量化的目的。但由于前桥结构特殊性与极限载荷的匹配程度，仅仅采取上述方式可能收效甚微，并且使得整个轻量化设计过程繁琐、局部而不全面、方案保守并且成本较高。

因此，有必要提供一种前桥轻量化方法以降低轻量化前桥设计过程的复杂度及有效提高前桥寿命。

发明内容

针对目前轻量化前桥设计过程繁琐、局部而不全面、方案保守并且成本较高的问题，本发明提出一种工字梁前桥轻量化方法，有效降低了前桥的设计过程的复杂程度同时降低了成本。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种工字梁前桥轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集汽车载荷谱数据并进行雨流循环计数，构建载荷变程与频次关系曲线，并计算一个载荷谱下的等效次数；

获取应力寿命曲线，根据所述一个载荷谱下的等效次数与里程的对应关系，得到用户目标里程下的等效次数，并根据所述应力寿命曲线得到用户目标里程下对应的应力限值。

构建工字梁优化模型，并获取所述工字梁优化模型的约束条件，所述约束条件包括所述应力限值；

根据所述约束条件求解所述工字梁优化模型，得到前桥工字梁截面优化参数，获得轻量化前桥；

对所述轻量化前桥进行验证，分析轻量化前桥的可行性。

优选地，所述一个载荷谱下的等效次数的获取过程为：对所述载荷谱数据进行雨流计数循环，得到载荷变程与频次的关系曲线；根据所述载荷变程与频次关系曲线和应力寿命曲线计算各级载荷损伤并等效到最大损伤，进而获得一个载荷谱下等效次数。

优选地，所述工字梁优化模型以体积或质量为目标函数；

所述工字梁优化模型的约束条件还包括挠度约束及截面尺寸约束。

优选地，所述轻量化前桥获取方法为：根据所述前桥工字梁截面优化参数，将工字梁中性面位置下移，得到轻量化前桥。

优选地，将工字梁中性面位置下移的方法包括：根据所述前桥工字梁截面优化参数，减小工字梁截面的上工字面厚度，增大下工字面厚度。

优选地，所述将工字梁中性面位置下移的方法还包括：根据所述前桥工字梁截面优化参数，在工字梁截面的上工字面上挖槽来使中性面的位置下移。

优选地，所述轻量化前桥的验证内容包括模态分析、台架疲劳分析及仿真分析。

本发明公开了以下技术效果：本发明基于试验场载荷谱和有限元仿真分析，通过分析发现前桥的工字梁部分为潜在失效部位，进而建立工字梁优化模型，以体积或质量为目标函数，应力、挠度、尺寸参数为约束条件，并采用多目标算法求解。通过调整上下翼面厚度使得中性面位置下移，降低了工字梁截面整体的拉应力，使得大部分截面承受压应力作用，提高前桥寿命，同时保证减重的要求，是一种高寿命、低成本的优化方法。本发明创新性的采用降低前桥工字梁截面整体的受力状况，而不改变其他结构的方法，使得前桥的设计过程简单、成本降低。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明工字梁前桥轻量化方法流程图；

图2为本发明实施例中试验场载荷谱示意图；

图3为本发明载荷变程与频次的关系示意图；

图4为本发明不同载荷变程损伤分布示意图；

图5为工字梁截面优化模型示意图；

图6为本发明实施例中上工字面薄、下工字面厚的前桥工字梁截面示意图；

图7为本发明实施例中挖槽的前桥工字梁截面示意图；

图8为本发明挖槽形式的其他前桥工字梁截面示意图；

图9为本发明工字梁中性面下移的其他形式截面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供一种工字梁前桥轻量化方法，包括以下步骤：

S1、根据商用车耐久性规范要求，在某试验场进行载荷谱采集，对试验场载荷谱进行极值载荷特征统计，并进行有限元分析，确定前桥极端工况，得到载荷与应力关系曲线，进而验证有限元模型的准确性，确定出工字梁部分为前桥结构需要改善的地方。所得到的试验场载荷谱如图2所示。

S2、如图3所示，对试验场载荷谱进行雨流循环计数，构建载荷变程S_R与频次n_R的关系，并计算每一级变程对应的疲劳寿命N_f，i，

计算方法为：

其中：m为反射率指数；C为材料常数；S_R为载荷变程；N_f为疲劳寿命。

根据每一级变程对应的疲劳寿命N_f，i计算该载荷谱中第i级载荷变程对应的损伤d_i＝n_R，i/N_f，i，得到雨流变程S_R，i对应的损伤分布d_i。所得的不同载荷变程损伤分布如图4所示；

根据损伤分布d_i计算总损伤D，具体为：

D＝∑d_i (2)

按照损伤等效原则将总损伤D等效到最大损伤d_max上，并根据最大损伤计算一个载荷谱下的等效次数，具体为：

n_eq＝n_dmaxD/d_max (3)

其中：n_eq表示等效次数；n_dmax表示最大损伤的次数，根据载荷变程与损伤分布的对应关系得到；D表示总损伤；d_max表示最大损伤。

根据一个载荷谱下的等效次数与里程的对应关系，得到用户目标里程下的等效次数，并将用户目标里程下的等效次数与应力寿命曲线相结合得到用户目标里程下对应的应力限值[σ]，具体的等效过程为：

其中：n_eq表示等效次数；L₁为等效次数对应里程；L_用户为用户目标里程；n_用户为用户目标里程下的等效次数。

S3、如图5所示，建立前桥工字梁截面优化模型，截面主要参数为b₁，b₂，b₃，h₁，h₂，h₃，其中：b₁为上翼面宽度，b₂为下翼面宽度，b₃为腹板宽度，h₁为上翼面高度，h₂为下翼面高度，h₃为腹板高度，将b₁、b₂、b₃、h₁、h₂设为变量，分别对应X₁，X₂，X₃，X₄，X₅，将h₃设为定值；

由此可得，工字梁截面优化模型为：

F＝min f, (5)

f＝b₁*h₁+b₂*h₂+b₃*h₃ (6)

其中：F代表工字梁截面的面积，即代表工字梁截面所用材料的多少；f代表的即为工字梁横截面的计算公式；s.t为约束条件；y_初为优化前最小静挠度，能够根据工字梁尺寸参数算出；X_imin和X_imax分别为针对实际情况的工字梁截面尺寸参数上下限。

工字梁截面优化模型的目标函数为体积(质量)函数，约束条件分别为应力约束、挠度约束、尺寸约束，具体为：

(1)应力约束

把工字梁承受的弯曲应力小于应力限值[σ]作为约束条件之一。计算中性层和惯性矩的值，求出工字梁截面承受的弯曲应力；

中性层位置H₁为：

截面惯性矩I为：

弯曲正应力σ：

其中，I为惯性矩，M为弯矩，[σ]应力限值。

(2)挠度约束

挠度约束采用静挠度来考量，将在给定负载条件下的最小静挠度不大于优化前最小静挠度作为约束条件之一；

静挠度w为：

约束条件为：

其中，p为工字梁模型的上截面中间最大弯曲载荷，l为截取的工字梁长度，E为弹性模量，I为惯性矩；

(3)截面尺寸约束

截面尺寸约束条件如下：

X_imin≤X_i≤X_imax，i＝1～5 (13)

通过NSGA-Ⅱ算法求解工字梁优化模型，得到前桥工字梁截面优化参数，通过所述工字梁截面优化参数减小工字梁截面的上工字面厚度，增大下工字面厚度，并下移中性面位置，最终得到轻量化的工字梁，如图6所示。另外，还能够在上工字面上挖槽来使中性面位置下移，如图7所示。

S4、分别对所得轻量化前桥进行模态分析、台架疲劳试验、仿真分析，进而分析轻量化前桥方案的可行性。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种工字梁前桥轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集汽车载荷谱数据并进行雨流循环计数，构建载荷变程与频次关系曲线，并计算一个载荷谱下的等效次数；

所述一个载荷谱下的等效次数的获取过程为：对所述载荷谱数据进行雨流计数循环，得到载荷变程与频次的关系曲线；根据所述载荷变程与频次关系曲线和应力寿命曲线计算各级载荷损伤并等效到最大损伤，进而获得一个载荷谱下等效次数；

获取应力寿命曲线，根据所述一个载荷谱下的等效次数与里程的对应关系，得到用户目标里程下的等效次数，并根据所述应力寿命曲线得到用户目标里程下对应的应力限值；

构建工字梁优化模型，并获取所述工字梁优化模型的约束条件，所述约束条件包括所述应力限值；

所述工字梁优化模型以体积或质量为目标函数；

所述工字梁优化模型的约束条件还包括挠度约束及截面尺寸约束；

根据所述约束条件求解所述工字梁优化模型，得到前桥工字梁截面优化参数，获得轻量化前桥；

对所述轻量化前桥进行验证，分析轻量化前桥的可行性。

2.根据权利要求1所述的工字梁前桥轻量化方法，其特征在于，所述轻量化前桥获取方法为：根据所述前桥工字梁截面优化参数，将工字梁中性面位置下移，得到轻量化前桥。

3.根据权利要求2所述的工字梁前桥轻量化方法，其特征在于，将工字梁中性面位置下移的方法包括：根据所述前桥工字梁截面优化参数，减小工字梁截面的上工字面厚度，增大下工字面厚度。

4.根据权利要求2所述的工字梁前桥轻量化方法，其特征在于，所述将工字梁中性面位置下移的方法还包括：根据所述前桥工字梁截面优化参数，在工字梁截面的上工字面上挖槽来使中性面的位置下移。

5.根据权利要求1所述的工字梁前桥轻量化方法，其特征在于，所述轻量化前桥的验证内容包括模态分析、台架疲劳分析及仿真分析。

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