基于冲裁毛刺影响的疲劳寿命分析研究

作     者：罗德洋 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：胡朝辉;高晖

授予年度：2016年

学科分类：082304[工学-载运工具运用工程] 08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：钣金 冲裁毛刺 疲劳寿命 线弹性模型 结构优化 

摘      要：汽车钣金结构的疲劳性能是钣金结构的一个非常重要的性能。钣金厚度只有0.6mmmm,钣金零件一般都会经过冲裁,拉延,切边等工序而成。钣金零件厚度薄,形貌特征多容易发生应力集中,造成疲劳开裂。疲劳开裂的部位一般都发生在钣金的边缘或孔的边缘,而这些边缘部位都存在冲裁毛刺,冲裁毛刺会使结构发生应力集中,降低疲劳寿命。为了能够更进一步的准确预测钣金结构疲劳寿命,研究出毛刺对钣金零件疲劳性能的影响,对毛刺进行了数值模拟,提出了考虑毛刺对疲劳性能影响的疲劳寿命计算方法,能够定量的分析出毛刺对钣金结构疲劳寿命的影响,提高疲劳寿命的计算准确性。首先,研究了冲裁毛刺数值模拟的基本原理。文章阐述了毛刺的形成机理以及毛刺对结构强度与疲劳寿命的影响。运用线弹性单元对毛刺进行数值模拟,推导出数值模拟的毛刺单元本构方程。根据有限元基本原理与毛刺单元的本构方程推导出了毛刺单元有限元模拟的基本原理并计算了毛刺单元的应力与应变。其次,根据毛刺数值模拟的基本原理以及疲劳寿命预测的基本理论,提出了在有限元模型中添加毛刺单元后结构的疲劳寿命计算方法。毛刺对钣金结构产生应力集中,为了计算出毛刺对疲劳寿命的影响,首先在有限元中计算出毛刺对钣金结构应力的影响。在结构的有限元模型中添加毛刺单元,运用线弹性单元模拟毛刺对结构应力集中的程度,计算单元应力与应力集中系数,同时输入结构的应力-寿命曲线或应变-寿命曲线与结构所经历的载荷历程,根据线性损伤积累理论计算出零件的疲劳寿命。为了验证计算寿命的准确程度,针对有毛刺零件与去毛刺零件进行疲劳寿命试验,验证了基于毛刺影响的疲劳寿命计算方法的精确度。最后,考虑毛刺对结构应力影响,对零件的结构进行优化并验证。同时对添加毛刺单元后结构的疲劳寿命计算方法进行验证。试验发现毛刺对滑移门止动机构疲劳寿命有非常大的影响,毛刺、结构特征等因素造成止动机构的寿命不足。因此,以滑移门止动机构为例,考虑毛刺影响的条件下,对止动机构的结构进行优化,运用响应面法建立结构应力与止动力关于结构变量的响应面模型,运用遗传算法对优化模型进行求解,得出最优结构。对优化后的结构中的疲劳危险部位添加毛刺单元计算单元应力与疲劳寿命。建立滑移门止动机构的疲劳台架试验,对止动机构优化前后与有毛刺状态和去毛刺一共4种状态进行台架试验,通过对比试验结果发现,优化后滑移门止动机构寿命提升超过90%,运用基于毛刺影响的疲劳寿命分析方法后,疲劳寿命数值模拟精度提高了44%。