s型弧面板弹簧的疲劳寿命分析

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1、摘要随着汽车市场的火爆，汽车安全性的问题显的越来越重要，爆胎就是汽车的安全隐患之一，针对这一问题，市场上应用较多的措施是采用安全轮胎或者免充气轮胎，但是这两种轮胎都有其应用的局限性，有学者基于安全轮胎以及免充气轮胎的基础上提出了板簧轮胎的概念，本文以板簧轮胎中单一的S型零件为研究对象，在对S型结构进行静强度分析的基础上对其进行疲劳寿命的预测。板簧轮是一种新型轮胎，S型弧面板弹簧是其中最为关键的部件，虽然结构简单，但是受载情况比较复杂。在工作过程中受到循环载荷的作用而易产生疲劳破坏，但疲劳破坏前并没有明显的宏观现象。当损伤达到临界值时，常常发生突然性的疲劳断裂，导致轮

2、胎无法正常工作，甚至发生更严重的后果。因此，对S型弧面板弹簧的疲劳分析有着重要的意义。在理论计算方面，起筋板弹簧属于宽板弯曲的平面问题，基于弹性变形的基本公式，推导出起筋板料的曲率半径公式；起筋后的板料截面简化为工字梁，利用组合图形的特点求解出截面的惯性矩公式；板料在受载过程中要满足强度要求，在此基础上进一步推导出疲劳寿命估算公式。在有限元数值模拟方面，利用PATRAN有限元分析软件建立几何模型，在创建材料、关联单元属性、划分网格、创建约束以及施加载荷后得到有限元模型，并对其进行静载荷分析，调用NASTRAN进行求解计算，得到弯板的等效应力图和最大应力节点区域。结合

3、应力的结果文件，利用FATIGUE疲劳分析软件对危险区域进行疲劳寿命分析，此过程中新建并修正了材料的S-N曲线，在设置材料信息和载荷信息后，最终得到结构的疲劳寿命云图，经换算后得到弯板的使用年限。本文主要在基于材料力学、有限元计算和结果疲劳寿命理论等多门学科理论基础上，并与有限元软件和专业疲劳寿命分析软件相结合，对S型弧面板弹簧进行静力学有限元分析和疲劳寿命有限元分析，力图真实有效的计算、模拟和分析。关键词：板簧轮胎；弹性变形；强度分析；疲劳寿命第1章绪论1.1引言近些年来，随着国家经济的持续快速发展，我国各种汽车保有量大幅度提升，正以越来越大的影响力改变着人们的生

4、活与工作[1]。汽车市场的繁荣不仅促进了汽车工业的蓬勃发展，同时对汽车的安全、经济、耐久等方面提出了更高的要求，其中安全最为重要。汽车行驶安全性问题之一就是爆胎。据资料统计，在国内，由汽车轮胎故障引发的严重交通事故占总体事故的46%，高速公路上的比例高达70%；而在美国，这一比例更高[2,3]。由此可见，轮胎对行驶安全起着至关重要的作用。1.2课题研究背景和意义1.2.1研究背景轮胎是汽车的重要组成部分，是汽车与地面保持接触的唯一机构。轮胎不仅应具有良好的缓冲性和牵引制动性，同时还应具有良好的耐磨性和耐损伤性，轮胎的好坏直接影响着汽车的安全性、舒适性和经济性。在使用

5、过程中，爆胎已经成为事故的头号杀手，轻则使车辆无法正常行驶，重则发生严重的交通事故，造成不可估量的人员伤亡和财产损失[4]。轮胎缺气行驶是爆胎最主要的祸根。轮胎胎压在低于标准胎压行驶时，随着胎压的下降，轮胎与地面的接触面积变大，随之摩擦成倍增加，胎温急剧升高，轮胎变软，强度降低，如果此时车辆又是高速行驶，则就可能导致爆胎[5,6]。避免爆胎的措施有很多，大致可以分为两种：一是使用所谓的安全轮胎，二是使用免充气轮胎。安全轮胎又称为“零压轮胎”（Run-FlatTire），国内业界习惯称之为“泄（漏、跑）气保用轮胎”。普通轮胎遭到外物戳破后，快速漏气导致胎侧下塌，胎圈脱

6、离轮辋，最终使车辆无法继续行驶甚或倾覆。而安全轮胎则漏气很少或者非常缓慢，同时能够保持行驶轮廓，使胎圈固定在轮毂上，确保汽车能够以50~80公里/小时的安全速度稳定前行80~160公里[3,7,8]。从技术原理的角度安全轮胎又可分为自密封型安全轮胎和自体支撑型安全轮胎，如图1-1所示。自密封型安全轮胎是在副腔内预先充满密封剂，当轮胎遭到刺穿时，密封剂会自动流到穿孔处，迅速填补洞口，密封与刺穿几乎同时发生的过程阻止了轮胎内气压下降，从而提高了汽车的安全性。但这种轮胎只能够修复尺寸小于5~6毫米的裂缝或孔洞。自体支撑型安全轮胎又称胎侧补强型安全轮胎，该轮胎是在侧面束层中

7、夹入特殊橡胶，当轮胎失压后，橡胶内部结构能防止胎侧自身折叠翻转，同时使胎侧依然牢固的紧捏轮辋，实现自我支撑，确保安全行驶[3,9-11]。a)自密封型b)自体支撑型图1-1安全轮胎示意图法国米其林集团公司的MXV4轮胎在无内压时能够以88公里/小时速度行驶80公里的路程，意大利倍耐力公司的零压续跑轮胎Eufori@在内压为零时能够以80公里/小时的速度行驶150公里的安全距离，日本普利司通公司的Expedia轮胎在失压条件下车辆能够以88公里/小时的速度安全行驶240公里，美国固特异轮胎橡胶公司的EngleEMT轮胎的性能指标为失压后以88公里/小时速度驶出32