冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼性能研究①

(安徽机电职业技术学院机械工程学院，安徽 芜湖 241000)

0 引 言

汽车复合材料板簧结构是汽车车身结构的重要组成部分，汽车车身结构的疲劳性和阻尼性是影响汽车质量的主要因素[1]，因此，为提高汽车车身的抗拉能力和应力强度，需提高汽车复合材料板簧结构的阻尼特性[2]。而如何精准检验板簧结构的阻尼特性仍是当前汽车材料分析领域有待解决的问题，尤其是在外力冲击下，为此，本文将在冲击荷载环境下分析汽车复合材料板簧结构的阻尼特性，以期为相关领域的研究提供理论依据。

1 汽车复合材料板簧结构力学分析和冲击荷载力学建模

1.1 汽车复合材料板簧结构力学分析

为了实现对冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼性能模型构建，首先构建冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的冲击荷载力学模型和驱动力学模型，对汽车复合材料板簧结构的应力屈服阻尼性能进行数值模拟，研究汽车复合材料板簧结构的弹性荷载力学模型，结合对汽车复合材料板簧结构的最大应力响应特征测量结果进行特征分析[3]，构建汽车复合材料板簧结构的反馈力学模型，得到汽车复合材料板簧结构的空间力学特征方程组为：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

α=ϑ-θ

(7)

δz=f(e1)

(8)

其中，θ—汽车复合材料板簧结构钢低周疲劳系数，表示为汽车复合材料板簧结构运动过程中的速度矢量(Ox2轴)与铅垂直线的夹角；ϑ—损伤积累系数；α—汽车复合材料的冲击强度；x，y—汽车复合材料板簧结构热疲劳温度的变化系数；ωx、ωy—非加速运动状态时在坐标系Ox1、Oy1轴的冲击载荷作用力矩；δz—粗糙峰接触载荷；e1—纵向运动的控制误差；m—汽车复合材料板簧结构的质量；X,Y—汽车车身结构的刚性指数和塑性指数。

汽车复合材料板簧结构在低周疲劳运转下产生热交疲劳，得到汽车复合材料板簧结构的屈服响应方程为：

(9)

在冲击载荷下，汽车复合材料板簧结构的屈服状态方程为：

(10)

在初始屈服点处，得到汽车复合材料板簧结构的负荷评估状态方程为：

(11)

通过以上原理，采用汽车复合材料板簧结构力学分析方法，进行汽车复合材料板簧结构的交变应力评估，实现汽车复合材料板簧结构力学分析[4]。

1.2 汽车复合材料板簧结构冲击荷载力学建模

在上述构建汽车复合材料板簧结构力学分析模型的基础上，进行冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的驱动力学和冲击荷载力学分析，构建冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的冲击载荷响应模型和驱动力学模型，得到汽车复合材料板簧结构的驱动力学响应方程为：

(12)

(13)

(14)

(15)

采用汽车复合材料板簧结构力学和动力学交互控制方法进行组织结构的阻尼性能力学控制[6]，控制约束方程为：

(16)

(17)

(18)

(19)

由此构建冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的汽车复合材料板簧结构模型，提高冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的材料组织结构阻尼性能力学评估能力[7]。

2 汽车复合材料板簧结构阻尼性能分析优化

2.1 复合材料板簧结构的阻尼屈服应力评估

在上述构建汽车复合材料板簧结构的弹性荷载力学模型的基础上，进行冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼特性分析，本文提出基于应力载荷动态特性测量的冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼特性分析方法，采用拉格朗日方程建立冲击载荷力学分析模型和材料组织结构阻尼性能的屈服应力模型，得到汽车复合材料板簧结构阻尼性能分布的拉格朗日方程：

(20)

在汽车复合材料板簧结构热疲劳荷载下，采用离散型线性估计方法进行单元弹塑性状态下的汽车复合材料板簧结构阻尼曲线拟合[8]，得到拟合变量满足如下约束条件：

盐酸也可用作提取锌矿或高炉粉尘中的锌。将含锌渣浸入盐酸，充分溶解后过滤。滤液中含有大量锌离子及其他金属离子。加入氧化剂，使亚铁离子氧化为三价铁离子，调节pH值，使铁离子沉淀并滤除。随后在溶液中加入锌粉，发生置换反应得到氯化锌溶液，通入碳酸氢铵，得到碱式碳酸锌，随后经过过滤、洗涤、烘干、煅烧，得到氧化锌。吕传涛[23]借助微波辐射预处理，用盐酸处理醋酸锌，在微波辐射时间30 min，固液比1∶4，盐酸的质量浓度30 g/L，室温搅拌浸出1 h，洗涤5次的此条件下，得到锌的平均浸出率为93.55%。

(21)

(22)

在最大冲击荷载作用下，得到材料板簧结构的力学和动力学的特征解为：

(23)

(24)

结合应力载荷动态特性测量的方法实现冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼性能测试，采用四阶龙格库塔法求解冲击载荷下汽车复合材料的应力屈服响应，得到求解过程为qi(t1)=[w1,x1,y1,z1]，qi(t2)=[w2,x2,y2,z2]，根据微分几何关系，得到冲击载荷下汽车复合材料的阻尼性能应力评估四元数，θ为局部坐标系下的冲击响应特征量，表示为：

θ=arccos(w1w2+x1x2+y1y2+z1z2)

(25)

在抗拉应力、压应力分别作用下，汽车复合材料板簧结构应力参数的线性插值特征量qi(t)为：

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

(26)

其中0

2.2 应力载荷动态特性测量及阻尼性能分析

采用离散型线性估计方法进行单元弹塑性状态下的汽车复合材料板簧结构阻尼曲线拟合，对材料组织结构阻尼性能的屈服应力评估，得到应力载荷动态评估值为：

(27)

(28)

基于 Euler-Bernoulli力学分析模型，进行最大冲击荷载下的材料板簧结构的结构强度分析，得到结构强度测试的解释变量为：

(29)

(30)

其中t1

3 仿真实验与结果分析

为了测试本方法在实现冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼性能分析中的应用性能，进行仿真实验，实验采用Matlab 7 设计，在CAD/CAM平台上进行冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼性能特性的力学测试，汽车复合材料板簧结构的主体加工材料为30CrMnTi，规格φ20.3×6.0，接触载荷为14kN·m，接触压力参数C1ε=1.44，冲击力矩C2ε=1.92，塑性指数Cμ=0.09，弹性接触指数σk=1.0，σε=1.3，柔性结构参数φ取值2.0mm，汽车复合材料板簧的塑性结合因子Ke=0.5732Vs/rad，材料应变硬化指数为1.45，根据上述仿真环境和参量设定，进行冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的疲劳测试和阻尼性能分析，得到测试结果如图1所示。

图1 冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的疲劳测试结果

分析图1得知，采用文中方法进行冲击载荷下汽车复合材料板簧结构的阻尼性能测试的准确性较好，对组织结构阻尼性能的应力特征分析能力较强，拟合度较高。测试汽车复合材料板簧结构的接触压力，得到结果如图2所示，分析图2得知，随着冲击载荷作用力的增大，接触压力增大，采用优化的复合材料板簧结构，能提高结构强度。

图2 汽车复合材料板簧结构力学特征分析结果

测试汽车复合材料板簧结构阻尼测试的精度，得到对比结果见表1，分析表1得知，本方法进行汽车复合材料板簧结构阻尼测试的精度较高。

表1 汽车复合材料板簧结构阻尼测试的精度对比

4 结 语

结合对汽车复合材料板簧结构的最大应力响应特征测量结果进行复合材料板簧结构的阻尼性能分析，对弹性荷载进行动态力学分析，采用离散型线性估计方法进行单元弹塑性状态下的汽车复合材料板簧结构阻尼曲线拟合，结合应力载荷动态特性测量的方法实现冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼性能测试和参数估计。仿真结果表明，采用该方法进行冲击载荷下汽车复合材料板簧结构阻尼测试的精度较高，提高了汽车复合材料板簧结构的抗拉能力屈服响应能力。