某车型横向稳定杆的疲劳可靠性分析_刘素红.pdf

某 车型横向稳定杆的疲劳可靠性分析*刘素红 李 芳（ 浙江工业大学 车辆工程研究所 ，杭州 310014）on 10014， 章编号 ： 10012012） 01 要 】横向稳定杆能有效预防车辆的侧翻，对保证汽车安全行驶起着重要作用，因此估算稳定杆的疲劳寿命尤为必要 。目前有限元分析已成为一种获得零部件力学特性的有效且可靠的方法，所以借助有限元软件，为横向稳定杆的疲劳寿命估算及寿命值的分布提供了技术支持 。为此首先建立该种车型稳定杆的参数化模型，并对其进行疲劳寿命的估算并在此基础上进行疲劳可靠性分析，得到疲劳寿命的分布及累积概率密度函数曲线等 。最后对照稳定杆疲劳试验的寿命要求对疲劳可靠性分析结果进行了分析 。关键词：横向稳定杆；有限元；疲劳可靠性；灵敏度【he of an of so it is to an in in of a be be be to of be to of 中图分类号： 献标识码： A来稿日期： 2011基金项目：浙江省重大专项资金资助项目（ 2008 引言横向稳定杆在汽车底盘中处于车架两纵梁之间，可以提高悬架的侧倾刚度，从而有效预防汽车在转弯时产生侧翻现象 。横向稳定杆的性能直接影响到汽车的行驶安全性 。据统计，在路况差 、急转弯时，装有稳定杆的车辆的侧翻几率降低（ 6080） %1，因此估算稳定杆的疲劳寿命，并得到寿命的分布规律十分必要，这些分析结果也为汽车横向稳定杆的设计提供重要的参考 。行驶过程中当车身只作垂直移动而两侧悬架变形相等时，稳定杆在套筒内自由转动，不受力的作用 。当两侧悬架变形不等而车身相对于路面横向倾斜时，车架的一侧移近弹簧支座，稳定杆的该侧末端就相对于车架向上移，而车架另一侧远离弹簧支座，相应的稳定杆的末端下移，而稳定杆的中部对于车架并无相对运动，即稳定杆两端部分别向不同方向偏转，受到扭力作用，从而减少了车身的横向倾斜和横向角振动2。目前应用 模型进行有限元分析已十分普遍，只要是建模准确，其结果均可认为是可靠的，这为稳定杆的性能分析提供了解决思路 。2 立稳定杆有限元模型横向稳定杆的横截面转弯较多，建模时选用四面体单元单元对复杂模型的适应能力强 。每个单元由 10个节点组成，每节点有 3个平移自由度 。在边界处理时借助 创建多点约束单元，首先要在施加约束区域建立一个主节点，之后选择需要添加约束的模型中的节点（一般是多个）作为从节点 。在主节点与各从节点之间建立刚性单元 。从节点受主节点的控制，在施加约束时，只对主节点操作即可 。由于此单元可模拟刚性杆 、刚性梁 、螺栓 、球铰及万向联轴器等连接，所以与以往直接对模型约束相比，更接近实际状态，在模型中施加的约束详见图 1 中放大区所示 。由横向稳定杆的受力分析，在加载时可以在杆纵向部分的端部分别施加相反方向的垂直位移载荷 D，其大小可按下述方法计算：乘用车要求在侧向惯性力为 车重时，最大允许侧倾角一般为 3，横向杆横跨约 800么最大位移载荷 D=20节点示意约束稳定杆向下的位移载荷向上的位移载荷图 1 定杆的强度分析将载荷及约束施加于模型，经过 解，得到稳定杆的图 2所示 。结果显示最大变形 现在横向稳定杆纵向部分的端部，这是由于在侧倾时越靠近纵轴线垂向位移越小，越远离纵轴线垂向位移越大 。生在稳定杆的横向部分和纵向部分的连接处 。这是由于此处是由套筒约束的，而且稳定杆横截面转弯，有应力集中 。实 期2012 年 1 月 41际 中此处也容易发生疲劳失效 。横向稳定杆主要是受扭力，相当于扭力弹簧，所用材料是弹簧钢 60考材料的性能参数3，如表1所示 。在安全系数为 2 时，横向稳定杆的最大等效应力仍小于材料的许用强度极限，满足静强度要求 。 横向稳定杆的等效应力云图表 1 材料属性材料名称 弹性模量 /松比 密度 /（ kg06 740 1176 13753 定杆可靠性分析及灵敏度分析理论可靠性分析由 概率设计模块（ 块）完成 。它基于参数化设计语言（ 立参数化模型，循环求解，提取结果等 。在 有两种可靠性分析方法： 限元法和响应面法 。两种方法原理及优缺点比较4后，选用 可靠度极限状态函数为： G = N 1）式中： 入变量； N 稳定杆的目标寿命； N计算的寿命 。那么：G 0 稳定杆的寿命满足要求； G =0稳定杆处于临界状态； G 0 稳定杆的寿命不满足要求 。运用 过 n 次循环计算得到的可靠度，就是极限应力状态函数大于 0 的次数 n与 n 的比值 。将寿命作为输出结果变量，将影响寿命的参数：弹性模量 、密度 、杆的半径和载荷设为输入变量 。由于最大应力为各输入变量的隐函数，所以采用差分法5敏感度更合适，其公式： ， ， -F ， ， 2）式中： F（ x） 结构的响应函数； 果变量对输入变量 模型中弹性模量服从正态分布，变异系数在（ 34） %之间；零件的几何尺寸的离散度一般是以公差的形式给出，统计结果表明几何尺寸服从正态分布5。各输入变量的分布设置，如表 2 所示 。表 2 各输入变量的分布参数 分布形式 平均值 变异系数 /%弹性模量 /位移载荷 /D 20密度 /740kg/R 11定杆的寿命估算强度分析中得到最大应力点处也是容易发生疲劳失效处，定义该点为疲劳分析对象，储存其应力值，以得到模型疲劳寿命耗用系数 。疲劳分析需要定义材料特性曲线，即 不同的存活率下的一组 文献3给出了材料 600%， 90%， 95%， 99%及 将 99%存活率下的 得到的数据组输入到 按照 20应力最大的节点 4565的疲劳寿命估算值约为 243万次 。参考横向稳定杆的疲劳台架试验，要求稳定杆寿命应满足 30万次，由此得寿命耗用系数约为 析结果，如图 3所示 。图 3 定杆疲劳可靠性分析及灵敏度分析按照表 2 中数值，将材料属性值（弹性模量 、密度值） 、尺寸（稳定杆横截面半径）及位移载荷值设定为输入变量，将寿命值设定为输出结果变量，采用 限元法循环计算 200 次，得到200个寿命值的分布形式 、可靠性及灵敏度结果 。疲劳可靠性分析结果，如表 3所示 。得到疲劳寿命值的柱状分布形式，如图 4 所示 。由图可以看出寿命值基本服从三参数威布尔分布 。寿命值累积概率分布函数曲线图，如图 5 所示 。结果显示：稳定杆 80%寿命集中在（ 160400）万次，其均值为 次 。汽车横向稳定杆设计寿命要求不低于 30万次，那么疲劳寿命的可靠度为 100%。表 3 横向稳定杆的疲劳可靠性分析结果模拟试验次数 /次 200寿命均值 /万次 万次 % 329E+07 7 7 7 7寿命 /次图 4 横向稳定杆的寿命值分布形式的柱状图中值曲线95%置信上限曲线95%置信下限曲线1009080706050403020100累积百分数0 7 7 7 7 7 7寿命 /次图 5 寿命值累积概率分布函数曲线图第 1 期刘素红等：某车型横向稳定杆的疲劳可靠性分析42提 取寿命的灵敏度结果，如图 6 所示，由结果可知寿命随各参数的增大而降低；对位移载荷最敏感，其次是材料弹性模量，最后是横向稳定杆横截面的半径 。故为了提高稳定杆的寿命首先应从最敏感的因素考虑，即所受载荷，但横向稳定杆的载荷受路况及整车参数控制，路况不可控制，所以若降低载荷，必须进行结构优化分析改变整车参数 。其次应考虑改变材料的弹性模量，即更换材料 。最后应考虑改变横向稳定杆的截面半径 。稳定杆横载面半径 寿命的敏感度结果示意图4 结论对横向稳定杆进行系统的分析对汽车的行驶安全性意义重大，尤其是对经常在路况差的路面上行驶车辆更是如此 。本研究在 将影响结构可靠性的随机因素如载荷 、横向杆的半径 、材料的属性等设定为输入参数建立横向稳定杆的参数化模型 。首先校核了稳定杆满足静力学强度要求 。接着对其进行疲劳寿命估算，得出横向稳定杆的寿命约为 ，满足横向稳定杆疲劳试验中 30 万次疲劳寿命的要求 。最后对寿命进行可靠性分析，选用 模拟试验 200 次，得到寿命的分布形式及累计概率分布函数曲线等 。疲劳寿命的灵敏度结果显示寿命对位移载荷最敏感，其次是材料的弹性模量，最后是稳定杆横截面半径，对材料的密度不敏感 。由于位移载荷由路况及整车参数决定，难以改变，所以若降低载荷，必须进行结构优化分析改变整车参数 。其次应从改变稳定杆弹性模量和截面的半径考虑 。参考文献 1冀永相 J 2008（ 2）： 32 2陈家瑞 M .（第 5版） 人民交通出版社， 2005： 253 3工程材料使用手册编辑委员会 M .（第 2 版） 中国标准出版社， 2001（ 9）： 356 4 ， D， ， et J 2006（ 28）： 17 5 J 2002（ 191） :3459 6 H S， in J 文昌 张 迎 陈 龙 汪若尘（ 江苏大学 汽车与交通工程学院 ，镇江 212013）on 12013， 章编号 ： 10012012） 01 要 】由于现有的地图匹配算法对算法的实时性和鲁棒性的研究相对较少，在提高地图匹配精度的过程中对可用信息的利用不够，依据车辆运动的连续性，提出了基于计算几何的地图匹配算法 。该算法能够快速的完成匹配候选道路的选取和匹配道路的确定 。通过跑车试验证明该算法的匹配正确率不低于 95%，单点匹配时间不超过 此该算法的鲁棒性 、实用性及实时性更强 。关键词：地图匹配；计算几何；车辆导航；置信区域【on of is in of a on is to of of of of alis