【技术实现步骤摘要】
基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法
[0001]本专利技术属于乘用车悬架
，具体涉及一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法。
技术介绍
[0002]球头是悬架系统中常用连接件，常用于转向节与控制臂连接、稳定杆与球头连接。球头连接系统中一般包括球头、球碗、球座及防尘罩等结构，见图1所示。防尘罩两端分别连接控制臂和转向节，并将润滑脂封入其中，从而保证结构之间的相对运动，性能上表现为球头扭转刚度近似为0。防尘罩一般为橡胶材料或类超弹性材料，延展性极强，且球头的运动角度存在限位设计。因此，防尘罩的极限强度问题一般都能得以保证，但实车中防尘罩随球头结构的运动做随机运动，存在耐久性问题。
[0003]防尘罩载荷主要分为两类：第一类在正常工作状态下防尘罩随结构间摆角变化而变形，以图1所示控制臂与转向节连接球头为例，在悬架受垂向或纵向载荷时二者摆角发生变化，防尘罩一端(A端)通过卡环结构固定在控制臂上，另一端(B端)为自由端，依靠自身弹性与转向节及球头接触，由于润滑脂的作用，B端不随球头和防尘罩运动，因此防尘罩的运动特点是防尘罩本身不发生自转，仅随球头轴线与控制臂平面之间的角度变化发生相对摆动，产生耐久性问题；第二类工况，在极端条件，如高温融化、低温冻结、泥水结块等条件下，防尘罩B端也与球头或转向节端粘连，粘结后车辆转弯条件下转向节带动球头以主销为中心轴旋转，防尘罩B端绕主销旋转、A端不旋转，此时防尘罩两端产生相对旋转，反复作用下影响防尘罩耐久性，有必要进行防尘罩耐久性优化设计。>[0004]球头防尘罩的仿真分析第一步是确定球头防尘罩的姿态。一般来说，防尘罩分析仅提供初始设计形状，DMU分析中也无法实现防尘罩模型的实际姿态，防尘罩模型与球头、控制臂、转向节往往均存在干涉，且A端和B端亦不能体现装配后的径向变形，常规建模加载方法不能直接分析，且负载接触状态下结构大变形极易导致计算收敛失败，不能支撑计算需求。因此，仿真第一步需要获得准确的防尘罩设计姿态，在此基础上实现高精度的防尘罩仿真分析。
[0005]第二步进行防尘罩的变形分析，包括球头随结构扭转和绕轴线旋转两种分析工况，并通过指定工况下的防尘罩姿态校核保证仿真分析精度。防尘罩一般为温度敏感型材料，特别的在讨论绕轴线旋转工况时不能忽略低温条件，此时材料的刚度特性与常温条件存在差异，常温下的材料本构关系不能全部满足防尘罩仿真需求，因此需要获得防尘罩在不同温度条件下的材料本构关系。
[0006]第三步进行防尘罩耐久性校核。防尘罩一般为具有超弹性特征的橡胶材料，目前主流的超弹性材料的疲劳损伤理论为撕裂能理论，因此不能简单的采用耐久性应力评价指标，而且仿真分析中也不能直观定义撕裂能，此外，通用有限元仿真分析软件中缺少超弹性及类超弹性材料耐久性模型及算法支撑，综上所述，目前对于防尘罩的耐久性校核缺少明确的评价指标。
[0007]综上所述，基于传统仿真方法设计球头防尘罩主要存在三方面问题：1、边界条件不精确；2、缺失基于温度的材料本构关系；3、耐久评价指标缺失。因此，基于传统有限元方法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性分析不能支撑产品开发要求，需开发新的仿真方法提高分析及设计精度。
技术实现思路
[0008]本专利技术的目的就在于提供一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，以解决进行乘用车悬架球头防尘罩的设计空间校核及疲劳寿命预测的问题。
[0009]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0010]一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011]A、建立高精度球头防尘罩有限元模型：建立一个轴对称特点的实体“防尘罩
‑
球头
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结构件”系统有限元模型
[0012]步骤B、基于附加刚度模型校核防尘罩设计姿态校核：在步骤A生成的“防尘罩
‑
球头
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结构件”系统模型基础上建立附加刚度模型，求解防尘罩的设计姿态，并以防尘罩设计姿态为目标进行仿真精度校核，最终生成基于附加刚度法的高精度防尘罩有限元分析模型；
[0013]步骤C、球头防尘罩摆动工况计算：通过DMU运动学分析或悬架系统CAE分析获得球头防尘罩耐久摆角，基于附加刚度模型计算防尘罩的摆动应变，并基于防尘罩变形提升仿真精度；
[0014]步骤D、球头防尘罩旋转工况计算：通过DMU运动学分析或悬架系统CAE分析获得球头防尘罩自身的极限旋转角度，基于附加刚度模型计算防尘罩的旋转应变，并基于防尘罩变形判定仿真精度；
[0015]步骤E、防尘罩耐久性优化设计：按照超弹性材料的许用应变判定结构的疲劳强度条件，并进行结构优化设计。
[0016]进一步地，步骤A，具体包括以下步骤：
[0017]A1、建立轴对称模型，采用任意包含球头销轴线的平面切割“防尘罩
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球头
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结构件”实体几何模型，得到轴对称结构，并生成轴对称有限元模型；
[0018]A2、建立实体有限元模型，基于轴对称模型要指定路径生成实体有限元单元，包括防尘罩、球头、球碗、球座、转向节、控制臂等结构，并删除A1中生成的轴对称模型；
[0019]A3、材料及属性定义，按实际情况定义材料属性及结构件实体属性，对于非弹性结构，如控制臂、转向节、球头等，定义为刚体；
[0020]A4、接触关系定义。定义所有结构件的外表面为接触面，并定义结构之间的接触关系。
[0021]进一步地，步骤B，具体包括以下步骤：
[0022]B1、生成附加刚度模型，明确附加刚度模型的控制基准面，并基于结构件的实际位置及几何特征生成附加刚度模型，需确保附加刚度模型能正确控制防尘罩的姿态；
[0023]B2、调整附加刚度模型初始姿态，首先将防尘罩尽量多的面调整至实际装配位置，将防尘罩与附加刚度模型调整至匹配位置；
[0024]B3、材料及属性定义以及更新接触关系；
[0025]B4、定义局部坐标系，建立适用于针对径向姿态控制的局部柱坐标系；
[0026]B5、更新防尘罩边界条件；
[0027]B6、输出设计姿态防尘罩几何，求解包含附加刚度模型的“防尘罩
‑
球头
‑
结构件”系统仿真模型，进行仿真结果有效性检查，提取防尘罩的位移场U，并输出防尘罩在设计姿态下的几何G1；
[0028]B7、判定仿真精度，扫描设计姿态下防尘罩几何模型G2，导入通用结构设计软件，并导入步骤B7生成的防尘罩几何G1，对比几何G1和G2的最大位移差值Δmax；
[0029]a、若最大位移差值满足以下条件：
[0030]Δ
max
＜0.01*R
max
(3.1)
[0031]其中，Rmax代表防尘罩初始状态下的最大直径。
[0032]判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，转到本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：A、建立高精度球头防尘罩有限元模型：建立一个轴对称特点的实体“防尘罩
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球头
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结构件”系统有限元模型步骤B、基于附加刚度模型校核防尘罩设计姿态校核：在步骤A生成的“防尘罩
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球头
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结构件”系统模型基础上建立附加刚度模型，求解防尘罩的设计姿态，并以防尘罩设计姿态为目标进行仿真精度校核，最终生成基于附加刚度法的高精度防尘罩有限元分析模型；步骤C、球头防尘罩摆动工况计算：通过DMU运动学分析或悬架系统CAE分析获得球头防尘罩耐久摆角，基于附加刚度模型计算防尘罩的摆动应变，并基于防尘罩变形提升仿真精度；步骤D、球头防尘罩旋转工况计算：通过DMU运动学分析或悬架系统CAE分析获得球头防尘罩自身的极限旋转角度，基于附加刚度模型计算防尘罩的旋转应变，并基于防尘罩变形判定仿真精度；步骤E、防尘罩耐久性优化设计：按照超弹性材料的许用应变判定结构的疲劳强度条件，并进行结构优化设计。2.根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于，步骤A，具体包括以下步骤：A1、建立轴对称模型，采用任意包含球头销轴线的平面切割“防尘罩
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球头
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结构件”实体几何模型，得到轴对称结构，并生成轴对称有限元模型；A2、建立实体有限元模型，基于轴对称模型要指定路径生成实体有限元单元，包括防尘罩、球头、球碗、球座、转向节、控制臂等结构，并删除A1中生成的轴对称模型；A3、材料及属性定义，按实际情况定义材料属性及结构件实体属性，对于非弹性结构，如控制臂、转向节、球头等，定义为刚体；A4、接触关系定义。定义所有结构件的外表面为接触面，并定义结构之间的接触关系。3.根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于，步骤B，具体包括以下步骤：B1、生成附加刚度模型，明确附加刚度模型的控制基准面，并基于结构件的实际位置及几何特征生成附加刚度模型，需确保附加刚度模型能正确控制防尘罩的姿态；B2、调整附加刚度模型初始姿态，首先将防尘罩尽量多的面调整至实际装配位置，将防尘罩与附加刚度模型调整至匹配位置；B3、材料及属性定义以及更新接触关系；B4、定义局部坐标系，建立适用于针对径向姿态控制的局部柱坐标系；B5、更新防尘罩边界条件；B6、输出设计姿态防尘罩几何，求解包含附加刚度模型的“防尘罩
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球头
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结构件”系统仿真模型，进行仿真结果有效性检查，提取防尘罩的位移场U，并输出防尘罩在设计姿态下的几何G1；B7、判定仿真精度，扫描设计姿态下防尘罩几何模型G2，导入通用结构设计软件，并导入步骤B7生成的防尘罩几何G1，对比几何G1和G2的最大位移差值Δmax；a、若最大位移差值满足以下条件：
Δ
max
＜0.01*R
max
(3.1)其中，Rmax代表防尘罩初始状态下的最大直径。判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，转到步骤C；b、若最大位移差值不满足式A1的条件，判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，需重复步骤B1～B6的过程，优化附加刚度模型的结构，以及材料、属性、接触、坐标系等参数设置，调整加载过程、加载速度、质量缩放系数等计算条件，直至达成A1式规定的精度要求，判定模型满足仿真精度要求，转到步骤C。4.根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于：步骤B2，将防尘罩与附加刚度模型调整至匹配位置时，需控制轴向姿态的附加模型调整至与防尘罩接触位置；控制径向姿态的附加模型仅沿径向调整尺寸，并记录所有附加刚度模型的位移U和转角UR。5.根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于：步骤B3，定义附加刚度模型的材料及属性时，按照结构件材料特性定义附加刚度模型材料；仿真中自身不涉及变形的附加刚度模型均定义为刚体。6.根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于：步骤B3，更新接触关系时，附加刚度模型只和防尘罩定义接触，且相互之间不定义接触；控制径向姿态的附加刚度模型仅在径向姿态调整载荷步中定义接触；与防尘罩干涉的结构件均不与防尘罩定义接触关系。7.根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于，更新防尘罩边界条件按照以下规定的顺序分两步完成防尘罩设计姿态校核的边界定义：B51、轴向姿态：基于步骤B2中的位移场分别定义下控制臂端、转向节端附加刚度模型的平动距离和扭转角度，确保防尘罩轴向端面分别调整至防尘罩与下控制臂和转向节之间的设计基准面；B52、径向姿态：基于步骤B2中的位移场分别定义下控制臂端和转向节端控制径向姿态的附加刚度模型的径向变形，定义径向位移载荷，确保防尘罩径向位置调整至径向设计基准面。8.根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于，步骤C具体包括以下步骤：C1、确定仿真工况，基于悬架系统的等幅耐久工况获得等效的球头防尘罩摆动耐久仿真工况，获得仿真条件；C2、定义边界及载荷条件，在步骤B中分析模型的基础上增加防...
【专利技术属性】
技术研发人员：武小一，佟凯旋，李耀，朱波，许晓珊，
申请(专利权)人：中国第一汽车股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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