汽车高承载轻量化结构优势强度与失效主导载荷匹配设计方法研究

Most of the high load carrying structures of automobile are made by plastic forming or by variable cross section compound machining. The fatigue strength shows anisotropic at the critical bearing cross section and the transition section, of which the stress state are complex because of the multi-source and multi-directional external load during service. In this situation, the traditional design method is difficult to consider the adaptability of this intensity difference to complex loads. So many important high-load lightweight structures show early fatigue failure during service, such as sub-frame, rear axle, control arm, etc. Based on the anisotropy of fatigue strength after forming, this project focuses on the mechanism of the superior strength by plastic forming, and then explores a matching principle between the superior and failure-dominate load, and finally propose the principle and method of constructing the lightweight design by using the superior strength. The main idea is to control the formation direction and grade of the dominant strength by study the relationship between the process and the stress state. So the exact matching of the dominant strength of the failure-driven load could be achieved and a lightweight design could be also realized which fulfill the requirement in durability. This research will effectively promote the current research level on the lightweight design in automobile industries.

汽车高承载轻量化结构大多经塑性成型或变截面复合加工而成，并且成型后各关键承载截面和截面过渡处出现疲劳强度各向异性，服役过程中在多源多向载荷作用下，局部应力状态极为复杂。传统设计方法难以考虑这种强度差异对复杂载荷的适应性，使得许多重要的高承载轻量化结构（如副车架、后桥、控制臂等）常常发生早期疲劳失效。本项目将从成形后疲劳强度各向异性入手，重点研究成形后优势强度的形成机制，探索优势强度与失效主导载荷的匹配原则，建立利用优势强度开展结构轻量化设计的原理和方法。主要思路是通过研究建立工艺过程与应力状态的关联，控制优势强度的形成方向和等级，使失效主导载荷获得优势强度的准确匹配，确保轻量化结构拥有期望的耐久性目标。本项研究成果将有力地促进目前我国汽车轻量化设计理论研究的深入，支持自主品牌汽车轻量化水平的快速提升，更可为相关载运工具行业轻量化设计技术发展提供借鉴。

高耐久与轻量化是现代汽车设计追求的主要目标，目前多数汽车承载结构都是经塑性成形加工制成，关键承载部位疲劳强度呈现各项异性，在道路多轴随机载荷下极易发生早期失效。本项目提出了一种优势强度与失效主导载荷匹配设计方法，利用优势强度实现结构的高耐久轻量化，具体从以下三个方面展开。1）塑性成形后疲劳强度各向异性研究。进行了中高强度钢不同塑性变形状态下疲劳强度特性试验研究，通过塑性变形前后微观分析，揭示了塑性成形后疲劳强度及其各向异性机理，明晰了不同初始强度材料塑性变性后疲劳强度差异性原因，建立了基于塑性变形状态的疲劳强度各项异性表征模型；2）多轴随机载荷下结构疲劳损伤规律研究与寿命预测。研究了试验场路况下多轴载荷耦合特性，提出了基于多轴潜在损伤的失效主导载荷辨识方法和损伤等效加速方法；建立了塑性成形-应变状态-疲劳强度各向异性与多轴载荷-应力张量-局部应力耦合叠加的结构疲劳损伤联合分析方法；以零件为对象结合台架试验与仿真，研究了其在试验场道路载荷下的失效部位及特征与局部应力分布、疲劳强度分布的对应关系，形成了优势强度与失效主导载荷的匹配原则。3）优势强度与失效主导载荷匹配设计方法研究。研究了工艺参数和几何特征参数对失效危险部位疲劳强度场和多轴应力状态的影响规律，并通过灵敏度分析筛选出主要影响参数；以成形后应变状态和强度各向异性预测模型联结关系，综合正交试验设计、参数化近似模型、NSGA-II优化方法，实现了优势强度与失效主导载荷的匹配设计；形成了成形仿真-寿命分析-近似模型-优化求解和主导载荷-目标寿命-应力限值-参数建模-优化求解两种具体实施路线，为塑性成形零件几何结构-材料潜能-工艺过程-服役性能的一体化设计提供了参考和借鉴。本项目的推广应用对汽车的高耐久轻量化产品开发具有重要的指导意义。