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1、基于灵敏度分析的车架轻量化及疲劳寿命估算———王书亭暋刘暋啸暋吴义忠等基于灵敏度分析的车架轻量化及疲劳寿命估算王书亭暋刘暋啸暋吴义忠暋金国栋华中科技大学国家CAD支撑软件工程技术研究中心,武汉,430074摘要:针对汽车车架轻量化设计要求,建立了车架刚度灵敏度、模态频率灵敏度以及静/动态结构响应的综合权重灵敏度分析模型,对车架进行了全寿命、裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命的分析,所作分析与车架的拓扑优化设计及性能分析一起形成了完整的车架数字化设计性能分析体系。关键词:车架;灵敏度分析;轻量化设计;疲劳寿命中图分类号:U4
2、61.91暋暋暋文章编号:1004—132X(2011)16—2001—06Sensitivity-basedAnalysisofLightWeightingandFatigueLifeEstimationforTruckFrameWangShuting暋LiuXiao暋WuYizhong暋JinGuodongNationalCADSupportSoftwareEngineeringResearchCenter,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,43007
3、4Abstract:Inordertoachievethelightweightdesignofatruckframe,thestiffnesssensitivity,modesensitivityandthecompensativesensitivityofstaticanddynamicstructuralresponsewerecar灢riedoutusingthesizeoptimizationtechnology.Finally,thetotallife,crackinitiationlifeandcra
4、ckgrowthlifewereanalyzed.Anunabridgeddigitalanalysissystemfortruckframewillbeaccomplishedbyjoiningwithotherdigitaldesigntechnologiesnamelystructuraltopologyoptimization,multi-bodydynamicssimulationandfiniteelementanalysisoftruckframe.Keywords:truckframe;sensit
5、ivityanalysis;lightweightdesign;fatiguelife0暋引言个设计参数对结构特性变化的灵敏度十分必要,汽车车架的轻量化设计和疲劳寿命分析是汽可以避免结构修改中的盲目性,提高设计效率,降车数字化设计的重要内容[1]。车架可行的轻量化低设计成本,同时它也是结构优化设计的基础。设计途径主要包括合理设计结构和使用轻量化材灵敏度是一个广泛的概念,从数学意义上讲,料两大方面,基于有限元分析的优化设计方法是若函数F(x)可导,其一阶灵敏度可表示为一种重要的轻量化措施。疲劳强度及寿命是评价S=(F
6、)j=灥F(X)(1)灥xj车架可靠性的重要因素之一,通过对车架结构进或行疲劳强度分析及寿命预估,能有效地指导车架殼F(X)S=(2)的开发设计,具有重要的理论意义和实用价值。殼xj本文在对车架进行基于整车的多体动力学和X=(x1,x2,…,xj,…,xn)有限元分析的基础上,根据分析所获得的车架动其中,式(1)为一阶微分灵敏度,式(2)为一阶差分态载荷数据,基于刚度灵敏度、模态频率灵敏度以灵敏度。及静/动态结构响应的综合权重灵敏度分析,对车灵敏度分析是一种度量因设计变量或参数的架进行轻量化设计。并对车架进行全寿命
7、、裂纹改变而引起结构响应特性变化快慢的方法。灵敏萌生寿命和裂纹扩展寿命分析。度分析有直接求导法、差分法和摄动法等几种方[1飊2]法。在实际结构分析和设计中,只有在少数简1暋车架的结构轻量化设计单情况下能把结构响应(或其性能)表示成结构参1.1暋车架的结构灵敏度分析及优化数或设计变量的显式函数,在大多数情况下,很难灵敏度分析在结构的设计以及分析中起着重将结构响应表示成结构参数或设计变量的显式形要的作用,特别是对于结构的优化设计和修改。式,这种情况下主要采用差分法和摄动法。在车架结构设计和优化过程中,常常有许多设计结构
8、灵敏度有静态灵敏度和动态灵敏度之[3]参数可供调整,为了确定设计和优化方案,分析各分。结构的静态灵敏度分析可以是位移灵敏度分析、应力灵敏度分析等;结构的动态灵敏度分析收稿日期:2009—09—28暋暋修回日期:2011—05—05则有特征灵敏度分析、传递函数灵敏度分析和动基金项目:国家自然科学基金资助项目(50975107);国家科技重大专项(2009ZX0
