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                        車輛整車疲勞動載荷的ADAMS建模分析

                        添加時間:2019/03/18 來源:吉林大學 作者:苗冬梅
                        本文結合實際車型開發過程中對疲勞耐久分析和動載荷提取的需求,開展 CAE分析和相關試驗工作。對汽車系統動力學研究現狀、動力學在白車身疲勞分析領域研究現狀、多體系統動力學概念、剛柔耦合理論以及 ADAMS 軟件相關知識進行了學習與梳理。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘 要

                          本文結合某乘用車項目在實際產品開發中的動載荷疲勞耐久工作開展研究。采用CAE 方法模擬試驗場強化路面耐久試驗的過程,即:動載荷疲勞耐久分析。動載荷疲勞耐久分析分為三個階段:第一階段是進行路譜采集試驗,需要用到 4 個六分力傳感器、直通加速度傳感器、拉線式位移傳感器;第二階段是動載荷分析,即應用多體系統動力學軟件(本課題采用 ADAMS 軟件),將采集到的軸頭力信號通過多體模型傳遞到車身連接點,計算得到車身連接點的力信號;第三階段是疲勞耐久分析,即利用疲勞分析軟件和車身連接點的力信號計算有限元模型的疲勞壽命值。本文的研究方向是動載荷分析,現有三種方法,分別是:約束加載法、虛擬迭代法和自由加載法。本文結合車型項目開發中的試驗數據和仿真計算結果,從原理、建模、計算結果三個維度用實例論證了約束加載法、虛擬迭代法和自由加載法的利弊,論證了自由加載法的正確性。同時,本文根據車型開發項目需求,梳理了整車多體動力學模型建模的步驟,明確了采用六面體建立柔性體模型加入到 ADAMS 軟件中進行剛柔耦合建模的方法,論證了驗證模型有效性的正確方法,解決了提交求解計算的問題,并且實現了菜單提交計算和自動導出 rpc 格式文件的功能。

                          本文研究的核心內容是:

                          1. 虛擬迭代和約束加載兩種載荷分解計算方法的區別及與試驗結果的一致性;

                          2. 約束加載和自由加載兩種載荷分解計算方法的區別及與試驗結果的一致性;

                          3. 尋求驗證動力學模型準確性的有效方法。

                          最終,本文的研究成果將被應用到日后的車型項目開發過程中,形成書面企業規范。

                          關鍵詞:動力學仿真,剛柔耦合,載荷分解

                        Abstract

                          In this paper, the research work is carried out with dynamic load fatigue analysis in a new car project. Using CAE method to simulate the durability test is the dynamic load fatigue analysis. Dynamic load fatigue analysis includes three stages: the first stage is the acquisition of road load,need 4 wheel force transducers,DC-type accelerometers,string pot type displacement transducers; the second stage is the dynamic load identification,transformation the measured wheel forces into internal component forces through the rigid-flexible coupling multi-body model in ADAMS software ; the third stage is the fatigue life prediction, calculation of structural fatigue lifetime based on component forces and fatigue software. The research direction in this paper is dynamic load analysis, the existing three kinds of methods are: Fixed Body method,Virtual Iteration method and Free Body method. Based on the test data in the project and the results of simulation , demonstrate the advantages and disadvantages of the three methods through the principle/modeling/results, and verify the correctness of the Free Body method. At the same time, according to the vehicle development project requirements, write down the vehicle Multi-body dynamics modeling steps and use the method of hexahedron flexible body model in the ADAMS software for the Rigid-Flexible Coupling model, prove the correct method to verify the validity of the model, solve the problem of submitting the calculation, achieve the menu submission and the automatic export RPC format function.

                          This paper focus on:

                          1. Consistency calculation with the test results through comparing Virtual Iteration method with Fixed Body method;2. Consistency calculation with the test results through comparing Fixed Body method with Free Body method;3. Effective methods for accuracy validation of the Multi-Body model.Finally, the results of this study will be applied to the project development process, and form written enterprise standard.

                          Key words:Multi-Body Model Simulation, Rigid-Flexible Coupling, Dynamic Load

                          在日益激烈的汽車市場競爭中,自主品牌車企如何提高自身影響力與客戶滿意度,提高產品的疲勞耐久性能是最有效、最為直接的手段之一。在產品預可研階段,車企的市場部、規劃部就已經開始圍繞目標市場開展產品疲勞耐久性能需求調查,充分了解目標客戶群體的需求,制訂出合理的整車疲勞耐久性指標。在產品立項后的策劃階段,車企的產品部就根據市場調查及整車疲勞耐久性能指標進行指標分解,整車指標-大總成指標-零部件指標,從整體到部分逐層分解,要求:目標明確,責任到人,可以實現,能夠評價。在工程設計階段,依次完成零部件設計、大總成裝配、整車裝配,與此相對應,需要完成零部件疲勞耐久 CAE 分析、試驗認證,大總成試驗認證,整車疲勞耐久性能 CAE 分析、試驗認證。其中,整車疲勞耐久性能 CAE 分析以整車疲勞耐久性能指標為基礎,針對白車身或者底盤這兩大類分析對象,通過使用六分力儀采集雜合車在試驗場強化路面上行駛時的道路譜載荷,并將該道路譜載荷作為四個軸頭的輸入信號添加到整車多體動力學模型上,模擬汽車在實際使用中所遇到的最惡劣行駛工況,獲取汽車目標位置的載荷譜,以便下一步作為激勵加到白車身或者關鍵零部件總成的疲勞模型中,分析可能發生疲勞損傷風險的位置,并提出有效的優化方案。

                          隨著消費者對耐久性的重視程度逐步加深,汽車產品設計師在對車身進行嶄新設計或者輕量化設計時便將白車身的疲勞耐久性能作為關鍵性能指標。產品批量生產前產品設計師必定會隨機選擇大約三輛慢裝車開展兩萬公里白車身強化路面耐久試驗,一旦出現疲勞風險,立即查找設計原因、工藝原因或者試驗原因,并在下一輪試驗前(即:批量生產后的耐久路試前)修正缺陷。但是,一個產品開發過程大約 60~80 周,如果等到耐久路試結果出來后再修改設計缺陷,可能會重復一個或多個“設計-試裝件生產-裝車-試驗”的過程,在原本 60~80 周的基礎上每個循環延長開發周期大約 15 周~20 周,增加大約三輛試制車及相關試驗成本。在 CAE 計算迅猛發展的今天,采用CAE 手段虛擬試驗過程已經得到廣泛應用,因此,設計前期盡早開展白車身疲勞耐久CAE 分析工作受到車企經營者的高度重視。由此可見,以有限元分析和動力學仿真技術為基礎,以整車疲勞動載荷分析方法與精度為研究目標研究具有重大意義。

                          然而疲勞耐久 CAE 分析的輸入信號無法通過試驗直接測得,需要通過汽車系統動力學軟件建模、仿真得到計算結果。隨著剛柔耦合理論的迅速發展以及多體動力學分析在工程中的廣泛應用,使得模擬試驗場強化路面疲勞耐久試驗進行疲勞載荷分析成為可能。但是,汽車的整車仿真模擬精度還受制于輪胎模型,因此,本文研究內容使用耐久性試驗采集的輪心處六分力作為多體模型的輸入進行虛擬仿真分析,進而開展虛擬仿真模型的驗證和載荷分解工作。

                          對于本人所在企業來說,CAE 部門組建于 2010 年,相對其他車企起步較晚,工程經驗不足。目前應用過的整車疲勞動載荷分析方法有三種:第一種是虛擬迭代方法,第二種是約束加載方法,第三種是自由加載方法。三種方法,各有利弊,因此,現階段進行載荷分解方法與精度的研究至關重要。

                          在本次研究中,將首先對三種方法的原理進行對比分析,研究三種方法的區別;然后,對 A 車型進行虛擬迭代和約束加載方法的對比研究,對 B 車型進行約束加載方法和自由加載方法的對比研究,研究三種方法的優缺點;最后,將 A 車型虛擬迭代和約束加載方法的計算結果和B車型約束加載方法和自由加載方法的計算結果分別提供給疲勞分析工程師進行疲勞耐久分析,對比疲勞耐久分析結果與實際耐久路試結果,研究精度問題。

                          經過上述研究,從上述三種整車疲勞動載荷分析方法選定一種最優方法,在項目中推廣應用。研究的結果不僅能夠解決企業設計生產過程中的實際問題,為企業對其產品的設計、制造、檢驗和優化改造提供實際的參考指導,還能為企業降低產品的生產成本,提高產品設計的水平,從而在提高企業核心競爭力和產品自主開發能力等方面提供思路和方法。同時本文采用的剛柔耦合動力學建模方法具有代表性,對于不同的懸架形式需要進行微調,適用于所有車型的整車疲勞動載荷特性的分析研究,為以后車型開發工作提供了”剛柔耦合-動載荷特性研究”的典型方法和成熟的技術路線,達到增強汽車自主研發的能力、縮短汽車自主研發的周期、減少汽車自主研發的成本、提高汽車自主研發的質量的實際效益。

                          車輛整車疲勞動載荷的ADAMS建模分析:

                        左前軸頭 AZ
                        左前軸頭 AZ

                        左前減震器上點 FX/FY/FZ
                        左前減震器上點 FX/FY/FZ

                        左懸置 FZ
                        左懸置 FZ

                        部分車身連接點載荷對比
                        部分車身連接點載荷對比

                        前懸架模型
                        前懸架模型

                        后懸架模型
                        后懸架模型

                        轉向系統模型
                        轉向系統模型

                        動力總成模型
                        動力總成模型

                        目 錄

                          第 1 章 緒論
                            1.1 課題研究背景、來源及意義
                            1.2 課題相關研究現狀
                              1.2.1 汽車系統動力學研究概況
                              1.2.2 動力學在白車身疲勞分析領域的國內外研究現狀
                            1.3 課題研究的內容
                          第 2 章 剛柔耦合動力學建模
                            2.1 多體系統動力學概述
                            2.2 剛柔耦合理論與方法
                            2.3 多體動力學仿真分析軟件——ADAMS
                              2.3.1 仿真工具選用
                              2.3.2 ADAMS 軟件的虛擬樣機設計流程
                              2.3.3 ADAMS 軟件剛柔耦合建模方法研究
                            2.4 設定整車疲勞動載荷提取技術路線
                            2.5 本章總結
                          第 3 章 整車耐久強化路面試驗研究
                            3.1 路譜采集試驗
                              3.1.1 試驗內容、對象及條件
                              3.1.2 試驗儀器
                              3.1.3 試驗車速要求
                              3.1.4 試驗數據選取與處理
                              3.1.5 試驗結果應用
                            3.2 整車耐久強化路面試驗
                              3.2.1 試驗對象
                              3.2.2 試驗方法
                              3.2.3 試驗結果
                            3.3 本章小結
                          第 4 章 整車建模與仿真驗證
                            4.1 建模方法探索與求證
                              4.1.1 ADAMS/Car 建模方法
                              4.1.2 襯套特性及其對結果影響
                              4.1.3 整車建模前準備
                              4.1.4 前后橫向穩定桿柔性體建模
                              4.1.5 論證求解方法
                            4.2 整車剛柔耦合動力學建模
                              4.2.1 新建模板 tpl 文件
                              4.2.2 新建子系統 sub 文件
                              4.2.3 新建整車裝配體模型 asy 文件
                            4.3 驗證模型
                            4.4 本章小結
                          第 5 章 動載荷分解與應用
                            5.1 提交求解計算方法
                              5.1.1 軟件外提交求解計算方法
                              5.1.2 利用宏 macro 文件提交求解計算方法
                            5.2 計算結果格式轉換方法
                            5.3 動載荷分解計算結果
                            5.4 實際應用
                            5.5 本章小結
                          第 6 章 全文總結和研究展望
                          參考文獻
                          致謝

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