本發(fā)明屬于汽車橫向穩(wěn)定桿，涉及一種橫向穩(wěn)定桿的靜態(tài)及疲勞性能研究方法。

背景技術(shù)：

1、汽車橫向穩(wěn)定桿（以下簡(jiǎn)稱“穩(wěn)定桿”），又稱防傾桿或平衡桿，是汽車懸架中的一種輔助彈性元件。在轉(zhuǎn)彎行駛或者較差路況下，車身會(huì)由于兩側(cè)懸架相對(duì)反向跳動(dòng)而發(fā)生橫向傾斜和橫向角振動(dòng)。兩側(cè)推力桿末端通過相對(duì)垂直位移而使穩(wěn)定桿產(chǎn)生扭力作用，通過桿身的彈力阻止車輪抬起，從而使車身盡量保持平衡、提高行駛的舒適性和穩(wěn)定性。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，工程實(shí)際中發(fā)生的疲勞斷裂破壞，占全部力學(xué)破壞的50%～90%，是機(jī)械、結(jié)構(gòu)失效中最常見的形式。一旦出現(xiàn)疲勞問題，機(jī)械系統(tǒng)的可靠性和使用壽命將大大降低。當(dāng)兩側(cè)懸架跳動(dòng)不一致時(shí)，橫向穩(wěn)定桿桿身和推力桿會(huì)分別受到交變的扭轉(zhuǎn)和彎曲作用，易產(chǎn)生疲勞破壞，故需要對(duì)橫向穩(wěn)定桿進(jìn)行合理的疲勞壽命設(shè)計(jì)。

2、國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命預(yù)測(cè)和分析進(jìn)行了許多研究。劉樹輝等通過將疲勞仿真分析和試驗(yàn)測(cè)試相結(jié)合，完成了對(duì)穩(wěn)定桿耐久性能的快速評(píng)價(jià)；mariusz等通過臺(tái)架和實(shí)車試驗(yàn)獲取橫向穩(wěn)定桿扭轉(zhuǎn)角，將獲取的數(shù)據(jù)作為疲勞分析的輸入，分析了不同應(yīng)力水平對(duì)疲勞壽命的影響；palma等提出在不同路面和車速下穩(wěn)定桿的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和道路實(shí)車試驗(yàn)的關(guān)聯(lián)性，確定了在實(shí)驗(yàn)室條件下的穩(wěn)定桿的失效準(zhǔn)則；wittek等通過金相分析、硬度和粗糙度測(cè)量，研究了生產(chǎn)工藝及材料因素對(duì)穩(wěn)定桿疲勞強(qiáng)度的影響。本發(fā)明分別通過材料力學(xué)的梁理論、有限元法技術(shù)和臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)，研究橫向穩(wěn)定桿的靜強(qiáng)度、靜剛度以及疲勞性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供一種橫向穩(wěn)定桿的靜態(tài)及疲勞性能研究方法。本發(fā)明建立了橫向穩(wěn)定桿的有限元模型，通過力學(xué)理論計(jì)算和剛度臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了垂向載荷工況下數(shù)值模型的應(yīng)力和側(cè)傾剛度計(jì)算的準(zhǔn)確性，并對(duì)組合載荷工況下的橫向穩(wěn)定桿總成進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析；在此基礎(chǔ)上將道路載荷譜與零部件臺(tái)架疲勞試驗(yàn)、虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，研究橫向穩(wěn)定桿疲勞壽命。首先將試車場(chǎng)混合路段內(nèi)一個(gè)試驗(yàn)循環(huán)的目標(biāo)雨流矩陣轉(zhuǎn)換成單一幅值、正弦定頻載荷，然后分別進(jìn)行了臺(tái)架疲勞試驗(yàn)和疲勞仿真分析，得到正弦載荷下的試驗(yàn)和仿真壽命，最后提取道路試驗(yàn)的隨機(jī)載荷作為疲勞仿真的輸入條件，預(yù)測(cè)了橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命。

2、本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種橫向穩(wěn)定桿的靜態(tài)及疲勞性能研究方法，包括如下步驟：

3、步驟s1、建立橫向穩(wěn)定桿有限元模型；

4、步驟s2、進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿靜強(qiáng)度分析；

5、步驟s3、進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度計(jì)算；

6、步驟s4、進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿疲勞試驗(yàn)及仿真分析；

7、步驟s5、進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿道路譜載荷疲勞分析。

8、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s1的具體操作如下：

9、利用catia建立的穩(wěn)定桿cad模型，并將在catia中建立的穩(wěn)定桿cad模型導(dǎo)入到前處理軟件hypermesh中進(jìn)行幾何清理、網(wǎng)格劃分、單元質(zhì)量檢查以及裝配，獲得穩(wěn)定桿總成有限元模型，所述穩(wěn)定桿由穩(wěn)定桿桿身、推力桿、橡膠襯套以及卡箍組成；利用mooney-rivlin模型模擬橡膠襯套；

10、所述有限元模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，由50881個(gè)單元、15753個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。在穩(wěn)定桿桿身和橡膠襯套、橡膠襯套和卡箍之間建立接觸；在穩(wěn)定桿桿身與推力桿之間采用tie綁定約束進(jìn)行焊接模擬，不考慮相對(duì)滑動(dòng)；使用梁?jiǎn)卧蚼pc約束相結(jié)合的方式對(duì)螺栓連接進(jìn)行模擬。

11、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s2的具體操作如下：

12、s2.1、進(jìn)行垂向載荷下的靜強(qiáng)度有限元分析；

13、s2.2、進(jìn)行垂向載荷下的靜強(qiáng)度理論計(jì)算；

14、s2.3、進(jìn)行組合載荷下橫向穩(wěn)定桿的靜強(qiáng)度有限元分析。

15、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s2.1的具體操作如下

16、橫向穩(wěn)定桿靜力分析所受載荷大小通過道路耐久試驗(yàn)采樣獲取穩(wěn)定桿應(yīng)變最大幅值，利用臺(tái)架試驗(yàn)標(biāo)定得到當(dāng)對(duì)穩(wěn)定桿單邊施加±25kn的垂直載荷時(shí)，穩(wěn)定桿對(duì)應(yīng)應(yīng)變的最大幅值；約束橫向穩(wěn)定桿桿身與車身連接的8個(gè)螺栓孔處的y向移動(dòng)自由度和推力桿一端安裝孔的6個(gè)自由度，在推力桿加載端施加25kn的集中力，完成對(duì)穩(wěn)定桿總成邊界條件的定義。

17、利用abaqus?standard求解器對(duì)有限元模型進(jìn)行求解，用meta對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，得到穩(wěn)定桿各個(gè)位置處的最大mises應(yīng)力。

18、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s2.2、進(jìn)行垂向載荷下的靜強(qiáng)度理論計(jì)算的具體操作如下：

19、s2.21、選取橫向穩(wěn)定桿有限元模型中的a、b兩處截面，提取a、b兩個(gè)截面處的最大mises應(yīng)力；

20、s2.22、根據(jù)穩(wěn)定桿的實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)裝載方式，簡(jiǎn)化和建立力學(xué)模型，根據(jù)材料力學(xué)梁理論，對(duì)a、b處mises應(yīng)力大小進(jìn)行理論計(jì)算；

21、s2.23、將a、b截面處的有限元計(jì)算和力學(xué)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，若兩者應(yīng)力結(jié)果較為接近，則驗(yàn)證了有限元模型的正確性。

22、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s2.3的具體操作如下：

23、將最大垂向載荷25kn和最大側(cè)向載荷5kn同時(shí)作用在橫向穩(wěn)定桿有限元模型上，得到組合載荷下，橫向穩(wěn)定桿的應(yīng)力分布，通過與垂向載荷工況下穩(wěn)定桿最大應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，判斷垂向載荷和側(cè)向載荷對(duì)穩(wěn)定桿受力情況的影響。

24、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s3的具體操作如下：

25、s3.1、進(jìn)行側(cè)傾剛度有限元計(jì)算

26、側(cè)傾剛度的公式如下圖所示，

27、其中， t為穩(wěn)定桿桿身產(chǎn)生扭矩， t=fl，為推力桿與穩(wěn)定桿桿身焊接處截面的轉(zhuǎn)角； l為簡(jiǎn)化力學(xué)模型中的推力桿的長(zhǎng)度，f為垂向載荷，w′為有限元模型施加垂向載荷位置的位移；

28、s3.2、進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度臺(tái)架試驗(yàn)

29、剛度臺(tái)架試驗(yàn)按照實(shí)車狀態(tài)裝夾，裝夾方式為將推力桿接頭端一端固定，另一端按實(shí)車連接形式與作動(dòng)裝置剛性連接；記錄施加的扭矩和樣品側(cè)傾角度的大小，并用最小二乘法對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行側(cè)傾剛度曲線的擬合。根據(jù)擬合效果，檢驗(yàn)了有限元模型的準(zhǔn)確性。

30、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s4的具體操作如下：

31、s4.1、進(jìn)行橫向穩(wěn)定桿疲勞臺(tái)架試驗(yàn)；

32、在組合載荷下進(jìn)行樣品的橫向穩(wěn)定桿疲勞臺(tái)架試驗(yàn)，得到樣品斷裂時(shí)的循環(huán)次數(shù)，判斷循環(huán)次數(shù)是否超過6000km壞路等效的臺(tái)架試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，若超過，則代表橫向穩(wěn)定桿樣品能夠滿足橫向穩(wěn)定桿總成疲勞設(shè)計(jì)目標(biāo)；

33、s4.2、橫向穩(wěn)定桿正弦載荷疲勞仿真分析；

34、通過fesafe軟件將應(yīng)力場(chǎng)與正弦載荷進(jìn)行疊加，結(jié)合材料sn曲線計(jì)算橫向穩(wěn)定桿的疲勞壽命；在abaqus計(jì)算模型中進(jìn)行靜態(tài)分析，fesafe采用多軸疲勞壽命估算模型brown-miller準(zhǔn)則，采用morrow平均應(yīng)力修正，并設(shè)置其表面光潔度為；

35、所述brown-miller準(zhǔn)則公式為：

36、

37、所述morrow平均應(yīng)力修正公式為：

38、

39、其中，為最大剪應(yīng)變范圍；為最大剪應(yīng)變面上的法向應(yīng)變幅；為臨界平面上的法向平均應(yīng)力；和分別是疲勞強(qiáng)度系數(shù)和疲勞延性系數(shù)；e是彈性模量，nf是疲勞壽命；b、c分別為疲勞強(qiáng)度指數(shù)和疲勞延性指數(shù)；為平均應(yīng)力，為總應(yīng)變。

40、在以上方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的，所述步驟s5的具體操作如下：

41、通過整車道路采樣測(cè)試，提取道路試驗(yàn)的隨機(jī)載荷譜替代正弦加載作為cae仿真的輸入條件，復(fù)現(xiàn)樣車在試車場(chǎng)不同路面的實(shí)際工況；在一個(gè)試驗(yàn)路段循環(huán)內(nèi)，對(duì)獲得的橫向穩(wěn)定桿的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行濾波去噪、除去奇異值等處理后，應(yīng)變對(duì)標(biāo)的垂向載荷和側(cè)向載荷時(shí)間歷程，即道路載荷譜，將該道路載荷譜作為輸入條件，計(jì)算出橫向穩(wěn)定桿總成的疲勞壽命。

42、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益技術(shù)效果：

43、（1）在垂向載荷工況下，分別建立了橫向穩(wěn)定桿有限元模型和簡(jiǎn)化力學(xué)模型，利用力學(xué)理論計(jì)算驗(yàn)證了橫向穩(wěn)定桿有限元模型應(yīng)力計(jì)算的準(zhǔn)確性，利用剛度臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了橫向穩(wěn)定桿側(cè)傾剛度有限元計(jì)算精度。通過對(duì)比分析可得，利用有限元法建立橫向穩(wěn)定桿靜態(tài)數(shù)值模型來預(yù)測(cè)其危險(xiǎn)點(diǎn)、應(yīng)力分布以及位移分布是有效可行的。

44、（2）將道路載荷譜與零部件臺(tái)架疲勞試驗(yàn)、虛擬仿真技術(shù)相結(jié)合，研究零部件疲勞壽命。臺(tái)架試驗(yàn)壽命和仿真計(jì)算壽命可以相互驗(yàn)證雙方的真實(shí)性，建立了一個(gè)既有分析又有試驗(yàn)的一體化疲勞解決方案。該方案可推廣至其它零部件系統(tǒng)，從而縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。