小汽車減震器的疲勞分析
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- 機制1504-王舜-2015201613_開題報告
減震器開題報告1.課題研究立項依據（所選課題的來源、科學意義、目的，國內外研究現狀）
1.1所選課題的來源
汽車支柱式減震器將減震器和彈簧集成在一起，用于承擔發動機，車身，底盤，貨物和乘客的重量，同時緩和并衰減汽車行駛中由于車速，路面激勵造成的沖動振動，彈簧下座作為支柱式減震器的重要承載零件，其可靠性不僅關系到汽車行駛平順性，還關系到行駛安全性。
在汽車產品的研制過程中，需要對零件部件進行大量的臺架實驗和整車耐久實驗，不僅試驗費用高，周期長，而且問題大多出現在產品設計完成之后，這對設計更改帶來一定難度，通過有限元疲勞仿真分析，可以在產品設計初期對產品進行疲勞耐久預測，找到結構的薄弱環節，提出合理的改進方案，以大幅減少或最終取代部分疲勞試驗，隨著計算機以及計算機硬件水平的逐步提高，汽車關鍵零部件的設計水平從壽命定性設計到壽命定量設計已成為可能。
1.2科學意義及目的
隨著人們對汽車舒適性和穩定性的要求越來越高，汽車在行駛過程中的振振動問題凸顯出來，也成為限制舒適性和穩定性的短板，這時對人們需要使用到一個重要部件—減震器。減震器除了可以帶來舒適的乘車體驗以外，還可以減少汽車其他零部件的損耗程度，延長其使用壽命。
減震器是汽車懸掛系統的重要部件，如果把發動機比喻為汽車的“心臟”，變速器為汽車的“中樞神經”，那么底盤及懸掛系統就是汽車的“骨骼骨架”。懸掛系統不僅決定了一輛汽車的舒適性與操控性，同時對車輛的安全性起到很大的決定作用。從而成為衡量其質量及檔次的重要指標。
1.3國內外研究現狀
1.3.1疲勞分析的發展歷史及研究現狀
1839年巴黎大學教授J.U.Poneelet在講課時，首先使用了“金屬疲勞”的概念。
1850-1860年德國工程師Wholer首先開展了疲勞的試驗研究，并提出了應力-壽命圖和疲勞的概念。
1864年H.Gerber與Goodaman提出了考慮平均應力影響的疲勞壽命計算方法。
1871年，德國人Wohlor在發表的論文中，系統的描述了疲勞壽命與循環應力之間的關系，提出了S-N曲線和疲勞極限的概念，奠定了金屬疲勞研究的基礎。
1910年，O.H.Basquin提出了描述金屬S-N曲線的經驗規律。Bairsotw研究指出形變滯后與疲勞破壞的關系。
1924年Palmgren首先提出了線性累積損傷原理。
1929年B.P.Haigh研究了缺口敏感性。Manson和Coffin分別獨立提出了發生疲勞破壞時的載荷反向次數同塑性應變幅的經驗關系，即。Manson-Coffin應變-壽命原理。
1945年Miner推導出了Palmgren-Mnier線性累積損傷理論。
1961年Nebuber提出了描述缺口非線性應力-應變特性的定律。
1969年Toper.T.H等人提出了用Nebuber公式和光滑試樣的試驗數據確定缺口疲勞壽命的簡化方法。
1971年WetezlR.M使局部應力應變法很快發展起來。
1980年，E.B.Huagne出版了比較全面的概率疲勞設計專著，另外對隨機荷載下長壽命區疲勞壽命的研究以及概率疲勞損傷力學，概率斷裂力學的出現將疲勞研究推向了一個嶄新的階段。
從1982年起，相繼在美國，英國，德國，波蘭以及葡萄牙等國家多次召開了疲勞國際學術會議，多軸疲勞研究已從80年代初由單純的比與非比例加載下材料的疲勞行為發展到現在如何針對工程實際載荷情況進行疲勞損傷及壽命預測方面上來。國內也有一些高校和科研單位對減震器的疲勞進行了大量研究，如清華大學，西南大學，西安交通大學，天津大學等多軸循環本構關系進行了大量研究。東北大學，南京航天航空大學，北京工業大學等對疲勞損傷及壽命預測等方面進行了大量的研究，取得了很重要的研究成果。
1.3.2 減震器的發展歷史及研究現狀
1.回顧歷史的減震器
減震器的統一原理是通過阻尼運動損耗振振動過程中產生的能量，下面介紹三種減震器都遵循這一遵旨。
1.1彈簧減震器
彈簧減震器是最早的減震裝置，其優點能穩定的減少震動，但缺點是產生共振。
1.2液壓減震器
是20世紀初出現的，這種減震器也用到了橡膠，但由于其減震效果容易受到溫度的影響，減震器體積大，結構復雜等缺點逐漸被淘汰。
1.3充氣式液壓減震器
這種減震器產生阻尼的原理為：汽車震動帶來的活塞往復運動時上下腔產生油液差，壓力差帶動壓力閥和伸張閥來回往復運動，從而產生阻尼，減少震動能量。
2.減震器發展現狀
我國汽車減震器的發展比起世界發達過年減震器的發展，處于較為緩慢落后的地位，僅相當于發達國家80年代的水平，目前我國大部分汽車的減震器還是用40年代興起的雙筒式液壓減震器，高檔轎車減震器大部分采用國外進口的方式，這一技術阻礙了我國汽車技術的發展，成為需要解決的問題。
經過十多年的發展，我國汽車減震器也在CKD方面取得了極大的進步。首先涌現出一批專業制造汽車減震器的生產廠家，包括清洗機等；其次配套于汽車減震器的其他零部件的生產水平也大大提高，我國制造的減震器及其零部件越來越符合標準，達到了高質量，高標準。
2.課題研究的基本內容及預期目標或成果
2.1研究內容
（1）建立減震器結構模型，對其施加單位荷載。
（2）利用CAD軟件建立減震器三維模型，彈簧下座焊接于貯液缸筒，螺旋彈簧上端壓緊彈簧下座，下端壓緊彈簧下座的3/4圈螺旋面。
（3）采用有限元軟件ANSYS進行靜態應力分析，采用8節點SHELL93高階殼單元對減震器進行網格離散，以獲取較精確的應力分布。
（4）由于減震器的最大等效應力超過了材料屈服極限，低于強度極限，局部產生一定的塑性形變。利用Neuber修正方法將彈性形變轉變為彈塑性應變。
（5）采用nSoft進行疲勞仿真分析，將對應的靜態應力結果導入nSoft，利用Miner準則計算疲勞壽命。
2.2預期目標
如果原結構的疲勞壽命小于安全壽命，故需要進行結構優化。結構優化分為兩部分，結構修改和材料更改，當疲勞壽命達到無限壽命時，則滿足設計要求，提高了減震器整體的性能和質量。
3.課題的研究方案（擬采用的研究方法、技術路線、試驗方案）
3.1研究方法
用有限元法進行疲勞分析，由于結構受力狀態往往是一復雜的應力狀態，而在實驗中測得的結構材料S-N曲線又常是在簡單應力狀態下獲得的，因此常用最小能量屈服準則或其它等效準則，將所研究的疲勞點上的復雜應力用一個等效應力替代。對有限元法而言，這一過程很容易實現。等效替代以后，即可參照原始材料的S-N曲線進行疲勞壽命評估。
3.2技術路線
收集資料 - 歸納分析 - 確定分析方案 - 基于ANSYS軟件分析 - 統計分析結果 - 結果分析-結構優化 - 總結成果 - 吸取經驗...
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