沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能研究①

(安徽機電職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)是汽車車身結(jié)構(gòu)的重要組成部分，汽車車身結(jié)構(gòu)的疲勞性和阻尼性是影響汽車質(zhì)量的主要因素[1]，因此，為提高汽車車身的抗拉能力和應(yīng)力強度，需提高汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的阻尼特性[2]。而如何精準檢驗板簧結(jié)構(gòu)的阻尼特性仍是當前汽車材料分析領(lǐng)域有待解決的問題，尤其是在外力沖擊下，為此，本文將在沖擊荷載環(huán)境下分析汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的阻尼特性，以期為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供理論依據(jù)。

1 汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)力學分析和沖擊荷載力學建模

1.1 汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)力學分析

為了實現(xiàn)對沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能模型構(gòu)建，首先構(gòu)建沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的沖擊荷載力學模型和驅(qū)動力學模型，對汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的應(yīng)力屈服阻尼性能進行數(shù)值模擬，研究汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的彈性荷載力學模型，結(jié)合對汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力響應(yīng)特征測量結(jié)果進行特征分析[3]，構(gòu)建汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的反饋力學模型，得到汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的空間力學特征方程組為：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

α=?-θ

(7)

δz=f(e1)

(8)

其中，θ—汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)鋼低周疲勞系數(shù)，表示為汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)運動過程中的速度矢量(Ox2軸)與鉛垂直線的夾角；?—損傷積累系數(shù)；α—汽車復合材料的沖擊強度；x，y—汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)熱疲勞溫度的變化系數(shù)；ωx、ωy—非加速運動狀態(tài)時在坐標系Ox1、Oy1軸的沖擊載荷作用力矩；δz—粗糙峰接觸載荷；e1—縱向運動的控制誤差；m—汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的質(zhì)量；X,Y—汽車車身結(jié)構(gòu)的剛性指數(shù)和塑性指數(shù)。

汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)在低周疲勞運轉(zhuǎn)下產(chǎn)生熱交疲勞，得到汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的屈服響應(yīng)方程為：

(9)

在沖擊載荷下，汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的屈服狀態(tài)方程為：

(10)

在初始屈服點處，得到汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的負荷評估狀態(tài)方程為：

(11)

通過以上原理，采用汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)力學分析方法，進行汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的交變應(yīng)力評估，實現(xiàn)汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)力學分析[4]。

1.2 汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)沖擊荷載力學建模

在上述構(gòu)建汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)力學分析模型的基礎(chǔ)上，進行沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力學和沖擊荷載力學分析，構(gòu)建沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的沖擊載荷響應(yīng)模型和驅(qū)動力學模型，得到汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力學響應(yīng)方程為：

(12)

(13)

(14)

(15)

采用汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)力學和動力學交互控制方法進行組織結(jié)構(gòu)的阻尼性能力學控制[6]，控制約束方程為：

(16)

(17)

(18)

(19)

由此構(gòu)建沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)模型，提高沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的材料組織結(jié)構(gòu)阻尼性能力學評估能力[7]。

2 汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能分析優(yōu)化

2.1 復合材料板簧結(jié)構(gòu)的阻尼屈服應(yīng)力評估

在上述構(gòu)建汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的彈性荷載力學模型的基礎(chǔ)上，進行沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼特性分析，本文提出基于應(yīng)力載荷動態(tài)特性測量的沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼特性分析方法，采用拉格朗日方程建立沖擊載荷力學分析模型和材料組織結(jié)構(gòu)阻尼性能的屈服應(yīng)力模型，得到汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能分布的拉格朗日方程：

(20)

在汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)熱疲勞荷載下，采用離散型線性估計方法進行單元彈塑性狀態(tài)下的汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼曲線擬合[8]，得到擬合變量滿足如下約束條件：

鹽酸也可用作提取鋅礦或高爐粉塵中的鋅。將含鋅渣浸入鹽酸，充分溶解后過濾。濾液中含有大量鋅離子及其他金屬離子。加入氧化劑，使亞鐵離子氧化為三價鐵離子，調(diào)節(jié)pH值，使鐵離子沉淀并濾除。隨后在溶液中加入鋅粉，發(fā)生置換反應(yīng)得到氯化鋅溶液，通入碳酸氫銨，得到堿式碳酸鋅，隨后經(jīng)過過濾、洗滌、烘干、煅燒，得到氧化鋅。呂傳濤[23]借助微波輻射預處理，用鹽酸處理醋酸鋅，在微波輻射時間30 min，固液比1∶4，鹽酸的質(zhì)量濃度30 g/L，室溫攪拌浸出1 h，洗滌5次的此條件下，得到鋅的平均浸出率為93.55%。

(21)

(22)

在最大沖擊荷載作用下，得到材料板簧結(jié)構(gòu)的力學和動力學的特征解為：

(23)

(24)

結(jié)合應(yīng)力載荷動態(tài)特性測量的方法實現(xiàn)沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能測試，采用四階龍格庫塔法求解沖擊載荷下汽車復合材料的應(yīng)力屈服響應(yīng)，得到求解過程為qi(t1)=[w1,x1,y1,z1]，qi(t2)=[w2,x2,y2,z2]，根據(jù)微分幾何關(guān)系，得到?jīng)_擊載荷下汽車復合材料的阻尼性能應(yīng)力評估四元數(shù)，θ為局部坐標系下的沖擊響應(yīng)特征量，表示為：

θ=arccos(w1w2+x1x2+y1y2+z1z2)

(25)

在抗拉應(yīng)力、壓應(yīng)力分別作用下，汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)應(yīng)力參數(shù)的線性插值特征量qi(t)為：

qi(t)=slerp(qi(t1),qi(t2),t)=

(26)

其中0

2.2 應(yīng)力載荷動態(tài)特性測量及阻尼性能分析

采用離散型線性估計方法進行單元彈塑性狀態(tài)下的汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼曲線擬合，對材料組織結(jié)構(gòu)阻尼性能的屈服應(yīng)力評估，得到應(yīng)力載荷動態(tài)評估值為：

(27)

(28)

基于 Euler-Bernoulli力學分析模型，進行最大沖擊荷載下的材料板簧結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)強度分析，得到結(jié)構(gòu)強度測試的解釋變量為：

(29)

(30)

其中t1

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本方法在實現(xiàn)沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能分析中的應(yīng)用性能，進行仿真實驗，實驗采用Matlab 7 設(shè)計，在CAD/CAM平臺上進行沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能特性的力學測試，汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的主體加工材料為30CrMnTi，規(guī)格φ20.3×6.0，接觸載荷為14kN·m，接觸壓力參數(shù)C1ε=1.44，沖擊力矩C2ε=1.92，塑性指數(shù)Cμ=0.09，彈性接觸指數(shù)σk=1.0，σε=1.3，柔性結(jié)構(gòu)參數(shù)φ取值2.0mm，汽車復合材料板簧的塑性結(jié)合因子Ke=0.5732Vs/rad，材料應(yīng)變硬化指數(shù)為1.45，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參量設(shè)定，進行沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的疲勞測試和阻尼性能分析，得到測試結(jié)果如圖1所示。

圖1 沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的疲勞測試結(jié)果

分析圖1得知，采用文中方法進行沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的阻尼性能測試的準確性較好，對組織結(jié)構(gòu)阻尼性能的應(yīng)力特征分析能力較強，擬合度較高。測試汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的接觸壓力，得到結(jié)果如圖2所示，分析圖2得知，隨著沖擊載荷作用力的增大，接觸壓力增大，采用優(yōu)化的復合材料板簧結(jié)構(gòu)，能提高結(jié)構(gòu)強度。

圖2 汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)力學特征分析結(jié)果

測試汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼測試的精度，得到對比結(jié)果見表1，分析表1得知，本方法進行汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼測試的精度較高。

表1 汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼測試的精度對比

4 結(jié) 語

結(jié)合對汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力響應(yīng)特征測量結(jié)果進行復合材料板簧結(jié)構(gòu)的阻尼性能分析，對彈性荷載進行動態(tài)力學分析，采用離散型線性估計方法進行單元彈塑性狀態(tài)下的汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼曲線擬合，結(jié)合應(yīng)力載荷動態(tài)特性測量的方法實現(xiàn)沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼性能測試和參數(shù)估計。仿真結(jié)果表明，采用該方法進行沖擊載荷下汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)阻尼測試的精度較高，提高了汽車復合材料板簧結(jié)構(gòu)的抗拉能力屈服響應(yīng)能力。