基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法与流程

1.本发明属于乘用车悬架技术领域，具体涉及一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法。


背景技术：

2.球头是悬架系统中常用连接件，常用于转向节与控制臂连接、稳定杆与球头连接。球头连接系统中一般包括球头、球碗、球座及防尘罩等结构，见图1所示。防尘罩两端分别连接控制臂和转向节，并将润滑脂封入其中，从而保证结构之间的相对运动，性能上表现为球头扭转刚度近似为0。防尘罩一般为橡胶材料或类超弹性材料，延展性极强，且球头的运动角度存在限位设计。因此，防尘罩的极限强度问题一般都能得以保证，但实车中防尘罩随球头结构的运动做随机运动，存在耐久性问题。
3.防尘罩载荷主要分为两类：第一类在正常工作状态下防尘罩随结构间摆角变化而变形，以图1所示控制臂与转向节连接球头为例，在悬架受垂向或纵向载荷时二者摆角发生变化，防尘罩一端(a端)通过卡环结构固定在控制臂上，另一端(b端)为自由端，依靠自身弹性与转向节及球头接触，由于润滑脂的作用，b端不随球头和防尘罩运动，因此防尘罩的运动特点是防尘罩本身不发生自转，仅随球头轴线与控制臂平面之间的角度变化发生相对摆动，产生耐久性问题；第二类工况，在极端条件，如高温融化、低温冻结、泥水结块等条件下，防尘罩b端也与球头或转向节端粘连，粘结后车辆转弯条件下转向节带动球头以主销为中心轴旋转，防尘罩b端绕主销旋转、a端不旋转，此时防尘罩两端产生相对旋转，反复作用下影响防尘罩耐久性，有必要进行防尘罩耐久性优化设计。
4.球头防尘罩的仿真分析第一步是确定球头防尘罩的姿态。一般来说，防尘罩分析仅提供初始设计形状，dmu分析中也无法实现防尘罩模型的实际姿态，防尘罩模型与球头、控制臂、转向节往往均存在干涉，且a端和b端亦不能体现装配后的径向变形，常规建模加载方法不能直接分析，且负载接触状态下结构大变形极易导致计算收敛失败，不能支撑计算需求。因此，仿真第一步需要获得准确的防尘罩设计姿态，在此基础上实现高精度的防尘罩仿真分析。
5.第二步进行防尘罩的变形分析，包括球头随结构扭转和绕轴线旋转两种分析工况，并通过指定工况下的防尘罩姿态校核保证仿真分析精度。防尘罩一般为温度敏感型材料，特别的在讨论绕轴线旋转工况时不能忽略低温条件，此时材料的刚度特性与常温条件存在差异，常温下的材料本构关系不能全部满足防尘罩仿真需求，因此需要获得防尘罩在不同温度条件下的材料本构关系。
6.第三步进行防尘罩耐久性校核。防尘罩一般为具有超弹性特征的橡胶材料，目前主流的超弹性材料的疲劳损伤理论为撕裂能理论，因此不能简单的采用耐久性应力评价指标，而且仿真分析中也不能直观定义撕裂能，此外，通用有限元仿真分析软件中缺少超弹性及类超弹性材料耐久性模型及算法支撑，综上所述，目前对于防尘罩的耐久性校核缺少明确的评价指标。
7.综上所述，基于传统仿真方法设计球头防尘罩主要存在三方面问题：1、边界条件不精确；2、缺失基于温度的材料本构关系；3、耐久评价指标缺失。因此，基于传统有限元方法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性分析不能支撑产品开发要求，需开发新的仿真方法提高分析及设计精度。


技术实现要素：

8.本发明的目的就在于提供一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，以解决进行乘用车悬架球头防尘罩的设计空间校核及疲劳寿命预测的问题。
9.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
10.一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
11.a、建立高精度球头防尘罩有限元模型：建立一个轴对称特点的实体“防尘罩-球头-结构件”系统有限元模型
12.步骤b、基于附加刚度模型校核防尘罩设计姿态校核：在步骤a生成的“防尘罩-球头-结构件”系统模型基础上建立附加刚度模型，求解防尘罩的设计姿态，并以防尘罩设计姿态为目标进行仿真精度校核，最终生成基于附加刚度法的高精度防尘罩有限元分析模型；
13.步骤c、球头防尘罩摆动工况计算：通过dmu运动学分析或悬架系统cae分析获得球头防尘罩耐久摆角，基于附加刚度模型计算防尘罩的摆动应变，并基于防尘罩变形提升仿真精度；
14.步骤d、球头防尘罩旋转工况计算：通过dmu运动学分析或悬架系统cae分析获得球头防尘罩自身的极限旋转角度，基于附加刚度模型计算防尘罩的旋转应变，并基于防尘罩变形判定仿真精度；
15.步骤e、防尘罩耐久性优化设计：按照超弹性材料的许用应变判定结构的疲劳强度条件，并进行结构优化设计。
16.进一步地，步骤a，具体包括以下步骤：
17.a1、建立轴对称模型，采用任意包含球头销轴线的平面切割“防尘罩-球头-结构件”实体几何模型，得到轴对称结构，并生成轴对称有限元模型；
18.a2、建立实体有限元模型，基于轴对称模型要指定路径生成实体有限元单元，包括防尘罩、球头、球碗、球座、转向节、控制臂等结构，并删除a1中生成的轴对称模型；
19.a3、材料及属性定义，按实际情况定义材料属性及结构件实体属性，对于非弹性结构，如控制臂、转向节、球头等，定义为刚体；
20.a4、接触关系定义。定义所有结构件的外表面为接触面，并定义结构之间的接触关系。
21.进一步地，步骤b，具体包括以下步骤：
22.b1、生成附加刚度模型，明确附加刚度模型的控制基准面，并基于结构件的实际位置及几何特征生成附加刚度模型，需确保附加刚度模型能正确控制防尘罩的姿态；
23.b2、调整附加刚度模型初始姿态，首先将防尘罩尽量多的面调整至实际装配位置，将防尘罩与附加刚度模型调整至匹配位置；
24.b3、材料及属性定义以及更新接触关系；
25.b4、定义局部坐标系，建立适用于针对径向姿态控制的局部柱坐标系；
26.b5、更新防尘罩边界条件；
27.b6、输出设计姿态防尘罩几何，求解包含附加刚度模型的“防尘罩-球头-结构件”系统仿真模型，进行仿真结果有效性检查，提取防尘罩的位移场u，并输出防尘罩在设计姿态下的几何g1；
28.b7、判定仿真精度，扫描设计姿态下防尘罩几何模型g2，导入通用结构设计软件，并导入步骤b7生成的防尘罩几何g1，对比几何g1和g2的最大位移差值δmax；
29.a、若最大位移差值满足以下条件：
30.δ
max
＜0.01*r
max
(3.1)
31.其中，rmax代表防尘罩初始状态下的最大直径。
32.判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，转到步骤c；
33.b、若最大位移差值不满足式a1的条件，判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，需重复步骤b1～b6的过程，优化附加刚度模型的结构，以及材料、属性、接触、坐标系等参数设置，调整加载过程、加载速度、质量缩放系数等计算条件，直至达成a1式规定的精度要求，判定模型满足仿真精度要求，转到步骤c。
34.进一步地，步骤b2，将防尘罩与附加刚度模型调整至匹配位置时，需控制轴向姿态的附加模型调整至与防尘罩接触位置；控制径向姿态的附加模型仅沿径向调整尺寸，并记录所有附加刚度模型的位移u和转角ur。
35.进一步地，步骤b3，定义附加刚度模型的材料及属性时，按照结构件材料特性定义附加刚度模型材料；仿真中自身不涉及变形的附加刚度模型均定义为刚体；
36.6、根据权利要求1所述的一种基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，其特征在于：步骤b3，更新接触关系时，附加刚度模型只和防尘罩定义接触，且相互之间不定义接触；控制径向姿态的附加刚度模型仅在径向姿态调整载荷步中定义接触；与防尘罩干涉的结构件均不与防尘罩定义接触关系。
37.进一步地，更新防尘罩边界条件按照以下规定的顺序分两步完成防尘罩设计姿态校核的边界定义：
38.b51、轴向姿态：基于步骤b2中的位移场分别定义下控制臂端、转向节端附加刚度模型的平动距离和扭转角度，确保防尘罩轴向端面分别调整至防尘罩与下控制臂和转向节之间的设计基准面；
39.b52、径向姿态：基于步骤b2中的位移场分别定义下控制臂端和转向节端控制径向姿态的附加刚度模型的径向变形，定义径向位移载荷，确保防尘罩径向位置调整至径向设计基准面。
40.进一步地，步骤c，具体包括以下步骤：
41.c1、确定仿真工况，基于悬架系统的等幅耐久工况获得等效的球头防尘罩摆动耐久仿真工况，获得仿真条件；
42.c2、定义边界及载荷条件，在步骤b中分析模型的基础上增加防尘罩摆动耐久载荷步，将c1中获得的最大摆角变化变化δα定义为防尘罩系统的载荷条件，以转向节端加载为例，转向节及转向节端附加刚度模型定义相同的位移载荷条件，控制臂端结构及附加刚度
模型定义边界条件，并定义温度条件；
43.c3定义接触条件，在步骤c2新增的载荷步中定义转向节端除防尘罩外所有结构件之间的接触、防尘罩与球头的接触，定义控制臂端球头与结构件的接触，定义附加刚度模型与防尘罩之间的接触关系；
44.c4定义材料及属性，测试不同温度条件下防尘罩材料的应力-应变关系，并在仿真模型中定义不同温度下防尘罩材料的超弹性本构关系；
45.c5仿真模型求解，求解球头防尘罩摆动耐久工况分析模型，进行仿真结果有效性检查，提取不同温度ti下防尘罩的位移场u3i及应变场e3i，输出防尘罩变形后的几何g3i；
46.c6仿真精度校核，进行不同温度条件下的防尘罩摆动耐久台架试验，按照以下方式进行变形精度校核和应变精度校核；
47.c61变形精度：扫描相同温度和试验条件下防尘罩几何g3i’,将g3i和g3i’导入通用结构设计软件，获得g3i和g3i’的最大位移差值δ3max；
48.c62应变精度：在防尘罩上选择若干点，测量监测点的应变e3i’a、e3i’b
……
e3i’n，按照下式计算相同位置仿真与试验的应变差值：
49.δe3
ij
＝|e3
ij-e3'
ij
|(3.2)
50.式中e3ij是防尘罩第j个监测点在ti温度条件下应变的仿真结果，e3’ij是防尘罩第j个监测点在ti温度条件下应变的测试结果，δe3ij是防尘罩第j个监测点应变试验与仿真结果的差值，差值的最大值记做δe3max。
51.a、若满足如下条件：
[0052][0053]
则判定仿真精度满足要求，转到步骤四。
[0054]
b、若不满足式c3规定的要求，判定仿真精度不满足结构设计要求，需重复步骤c2～步骤c4的操作，重点调整材料属性、附加刚度模型、接触条件等因素，直至满足式c3，判定仿真精度满足结构设计要求，转到步骤d。
[0055]
进一步地，步骤d，具体包括以下步骤：
[0056]
d1、确定仿真工况，基于悬架在车辆转弯的状态定义防尘罩的旋转耐久工况，获得仿真工况：d2、定义边界及载荷条件，在步骤b有限元模型的基础上增加防尘罩绕主销轴线的旋转载荷步，以转向节端(b端)加载为例，定义δβ为转向节、转向节端附加刚度模型的位移载荷条件，在控制臂端的结构、附加刚度模型上定义边界条件；
[0057]
d3、定义接触条件，在步骤d2新增的载荷步中，转向节端(b端)定义防尘罩与附加刚度模型或球头销之间的绑定关系、定义转向节与球头的绑定运动关系。控制臂端(a端)定义附加刚度模型与防尘罩之间的绑定运动关系，并定义控制臂端球头与结构件的接触；
[0058]
d4、仿真模型求解，求解球头防尘罩旋转工况分析模型，进行仿真结果有效性检查，并提取防尘罩的位移场u4及应变场e4，输出防尘罩变形后的几何g4；
[0059]
d5、仿真精度校核，按照以下方式进行变形精度校核和应变精度校核：
[0060]
d51变形精度：进行防尘罩摆动耐久台架试验，获得相同温度和试验条件下防尘罩几何g4i’，将g4i和g4i’导入通用结构设计软件，获得g4i和g4i’的最大位移差值δ4max；
[0061]
d52应变精度：进行防尘罩摆动耐久台架试验，在防尘罩上选择若干点，测量监测
点的应变e4i’a、e4i’b、
……
、e4i’n，按照下式计算相同位置仿真与试验的应变差值：
[0062]
δe4
ij
＝|e4
ij-e4'
ij
|(3.4)
[0063]
式中e4ij是防尘罩第j个监测点在ti温度下应变的仿真结果，e4’ij是防尘罩第j个监测点在ti温度条件下应变的测试结果，δe4ij是防尘罩第j个监测点在ti温度下应变测试与仿真结果的差值；
[0064]
a、若满足如下条件：
[0065][0066]
则判定仿真精度满足要求，转到步骤e。
[0067]
b、若不满足式c5规定的要求，判定仿真精度不满足结构设计要求，需重复步骤d2～步骤d4的操作，重点调整材料属性、附加刚度模型、接触条件等因素，直至满足式c5，判定仿真精度满足结构设计要求，转到步骤e。
[0068]
进一步地，步骤e，具体包括以下步骤：
[0069]
强度校核，按照式c6规定的方式计算防尘罩的耐久安全系数：
[0070][0071]
式中，e3maxi和e4maxi分别是不同温度下防尘罩结构应变场e3和e4中的最大应变值，[εi]是防尘罩在不同温度下的疲劳许用应变，n为空簧结构件在耐久工况下的安全系数，i代表温度条件；
[0072]
a、若满足以下条件：
[0073][0074]
判定防尘罩满足耐久性设计要求，流程结束。
[0075]
b、若不满足式c7规定的条件，判定球头防尘罩不满足耐久性设计要求，转到步骤e2；
[0076]
e2、防尘罩优化迭代。对结构件进行结构、材料性能优化设计，针对优化后的结构重复步骤a～步骤d的操作，直至满足式c7要求，结束流程。
[0077]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0078]
本发明基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计方法，采用附加刚度法建模，基于附加刚度模型求解设计载荷下防尘罩的姿态，并以防尘罩实际设计姿态为目标优化分析模型，保证仿真精度；基于多种温度条件下的材料属性进行防尘罩变形分析，提高温度敏感结构的仿真覆盖度，保证仿真精度；明确评价指标，定义橡胶的耐久许用应变作为耐久性评价指标。
附图说明
[0079]
图1防尘罩-球头系统结构装配示意图；
[0080]
图2防尘罩-球头-结构件系统模型示意图；
[0081]
图3附加刚度模型示意图；
[0082]
图4附加刚度模型姿态示意图。
具体实施方式
[0083]
下面结合实施例对本发明作进一步说明：
[0084]
本发明基于附加刚度法的乘用车悬架球头防尘罩耐久性设计，包括以下几个方面：
[0085]
1、基于附加刚度法的球头防尘罩建模
[0086]
以防尘罩变形为目标进行建模精度提升工作，最终获得高精度防尘罩仿真分析模型。
[0087]
1.1、网格划分。提取“防尘罩-球头-结构件”系统几何模型的轴对称截面，划分轴对称截面的网格，并基于平面单元生成系统的实体有限元网格模型，包括防尘罩、球头、球碗、球座、转向节、控制臂等结构，之后删除所有平面单元。
[0088]
个别结构若对称轴不同于球头销轴线，应按照步骤一方法单独建模。
[0089]
控制臂一般为非轴对称结构，可以取一部分轴对称结构建模，不影响仿真精度。
[0090]
1.2、材料及属性定义。按实际情况定义材料属性及结构件实体属性，对于非弹性结构，如控制臂、转向节、球头等，定义为刚体。
[0091]
1.3、接触关系定义。定义所有结构件的外表面为接触面，并定义结构之间的接触关系。
[0092]
1.4、生成附加刚度模型。明确附加刚度模型的控制基准面，并基于结构件的实际位置及几何特征生成附加刚度模型，需确保附加刚度模型能正确的控制防尘罩的姿态，见图3所示。
[0093]
1.5、调整附加刚度模型初始姿态。首先将防尘罩尽量多的面调整至实际装配位置，然后遵循以下原则将防尘罩与附加刚度模型调整至匹配位置：1)控制轴向姿态的附加模型调整至与防尘罩接触位置；2)控制径向姿态的附加模型仅沿径向调整尺寸。如图4所示，并记录所有附加刚度模型的位移u和转角ur。
[0094]
1.6、附加刚度模型材料及属性定义。按照以下原则定义附加刚度模型的材料及属性：1)按照结构件材料特性定义附加刚度模型材料；2)仿真中自身不涉及变形的附加刚度模型均定义为刚体。
[0095]
1.7、附加刚度模型更新接触关系。按以下规则定义接触关系：1)附加刚度模型只和防尘罩定义接触，且相互之间不定义接触；2)控制径向姿态的附加刚度模型仅在径向姿态调整载荷步中定义接触；3)与防尘罩干涉的结构件均不与防尘罩定义接触关系。
[0096]
1.8、定义局部坐标系。建立适用于针对径向姿态控制的局部柱坐标系。
[0097]
1.9、定义边界条件。按照以下规定的顺序分两步完成防尘罩设计姿态校核的边界定义：
[0098]
1.9.1、轴向姿态：基于步骤五中的位移场分别定义下控制臂端(a端)、转向节端(b端)附加刚度模型的平动距离和扭转角度，确保防尘罩轴向端面分别调整至防尘罩与下控制臂和转向节之间的设计基准面。
[0099]
1.9.2、径向姿态：基于步骤五中的位移场分别定义下控制臂端(a端)和转向节端(b端)控制径向姿态的附加刚度模型的径向变形，定义径向位移载荷，确保防尘罩径向位置
调整至径向设计基准面。
[0100]
1.10、输出设计姿态防尘罩几何。求解包含附加刚度模型的“防尘罩-球头-结构件”系统仿真模型，进行仿真结果有效性检查，提取防尘罩的位移场u，并输出防尘罩在设计姿态下的几何g1。
[0101]
1.11、判定仿真精度。扫描设计姿态下防尘罩几何模型g2，导入通用结构设计软件，并导入步骤2.7生成的防尘罩几何g1，对比几何g1和g2的最大位移差值δmax。
[0102]
a、若最大位移差值满足以下条件：δ
max
＜0.01*r
max
，其中rmax代表防尘罩初始状态下的最大直径。
[0103]
判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，获得高精度防尘罩有限元分析模型。
[0104]
b、若最大位移差值不满足δ
max
＜0.01*r
max
条件，判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，需重复步骤一至步骤十的过程，优化附加刚度模型的结构，以及材料、属性、接触、坐标系等参数设置，调整加载过程、加载速度、质量缩放系数等计算条件，直至达成精度要求，最终获得高精度防尘罩有限元分析模型。
[0105]
2、悬架球头防尘罩工况定义
[0106]
防尘罩随结构运动，没有明确的加载点，在“防尘罩-球头-结构件”系统分析模型中，通过定义球头销的运动方式实现防尘罩加载。可以基于悬架系统动力学或悬架系统级仿真分析获得防尘罩的分析工况。
[0107]
系统动力学分析
[0108]
2.1、球头摆动工况。在悬架三维装配模型中，轮心位置施加垂向、纵向、侧向耐久工况位移载荷，提取转向节与控制臂之间的摆角δα1、δα2、δα3，选取其中最大值定义为防尘罩摆动工况载荷δα。
[0109]
其中，按下述规定的方法确定转向节与控制臂之间的夹角：
[0110]
a、二力杆形式的控制臂，球头销轴线与二力杆两端连接点连线之间夹角定义为转向节与控制臂之间夹角；
[0111]
b、三角臂形式的控制臂，三角臂的三个连接点定义一个平面，平面与球头销轴线方向的夹角定义为转向节与控制臂之间夹角。
[0112]
2.2、球头扭转工况。在悬架三维装配模型中，施加转向工况载荷，提取转向节绕主销的最大旋转角δβ，定义为防尘罩旋转工况的载荷条件。
[0113]
悬架系统级仿真分析
[0114]
1.1、球头摆动工况。在悬架系统有限元模型中，轮心位置施加各方向耐久工况载荷，提取球头轴线方向与控制臂方向的最大摆角δα，定义为防尘罩摆动工况载荷δα。
[0115]
1.2、球头扭转工况。在悬架系统有限元模型中，施加转向耐久载荷条件，提取转向节绕主销方向的旋转角δβ，定义为防尘罩旋转工况的载荷条件。
[0116]
3、基于附加刚度法的防尘罩耐久性设计
[0117]
求解防尘罩耐久性分析模型，并基于超弹性结构应变评价指标进行防尘罩的耐久性评价及优化。
[0118]
以转向节端(b端)加载为例
[0119]
3.1、建立附加刚度模型。参考建立高精度的基于附加刚度法的防尘罩耐久性有限
元分析模型。
[0120]
3.2、接触条件定义。按以下规则更新接触关系：1)除防尘罩、附加刚度模型外，所有结构件之间按照实际装配方式定义相互之间的接触关系；2)防尘罩与附加刚度模型之间定义接触关系；3)防尘罩与结构件、附加刚度模型与结构件之间均不定义接触关系。
[0121]
3.3、材料及属性定义。定义不同温度下防尘罩材料的超弹性本构关系。
[0122]
3.4、边界条件定义。控制臂端(a端)结构件及附加刚度模型定义边界条件，定义模型初始温度条件。
[0123]
3.5、防尘罩摆动工况分析。参考“保护点二”的方法确定防尘罩摆动耐久工况的仿真载荷条件，定义于转向节及转向节端的附加刚度模型。
[0124]
求解防尘罩摆动耐久工况分析模型，进行仿真结果有效性检查后，提取不同温度ti下防尘罩的应变场e3i。
[0125]
3.6、防尘罩旋转工况分析。参考“保护点二”的方法确定防尘罩旋转耐久工况的仿真载荷条件，定义于转向节及转向节端的附加刚度模型。
[0126]
求解防尘罩旋转耐久工况分析模型，进行仿真结果有效性检查后，提取不同温度ti下防尘罩的应变场e3i。
[0127]
3.7、强度校核。按照式3.6规定的方式计算防尘罩在摆动耐久及旋转耐久工况下的安全系数。若安全系数满足式3.7的条件要求，判定防尘罩满足耐久性要求，结束流程。若安全系数不满足式3.7的要求，判定防尘罩不满足耐久性要求，转到步骤八。
[0128]
3.8、防尘罩结构优化。对结构件进行结构、材料性能优化设计，针对优化后的结构重复步骤3.1～步骤3.4的操作，直至满足式3.7的要求，结束流程。
[0129]
实施例1
[0130]
本发明基于有限元分析实现球头防尘罩的耐久性设计，其中的核心问题：为分析设计流程和防尘罩仿真精度。本发明基于附加刚度法完成“防尘罩-球头-结构件”的系统模型建模，通过附加刚度模型辅助完成高精度的防尘罩变形仿真，并基于超弹性材料耐久性设计理论完成球头防尘罩的耐久性优化设计。下面以图2所示的球头防尘罩为例，介绍基于附加刚度法的防尘罩耐久性设计方法，主要包括以下五个步骤：
[0131]
a、建立高精度球头防尘罩有限元模型
[0132]
防尘罩、球头、球碗、球座等结构均为轴对称结构，转向节和控制臂可截取一部分轴对称结构参与仿真分析，因此可以建立一个轴对称特点的实体“防尘罩-球头-结构件”系统有限元模型，按照以下子步骤进行工作：
[0133]
a1、建立轴对称模型。采用任意包含球头销轴线的平面切割“防尘罩-球头-结构件”实体几何模型，得到轴对称结构，并生成轴对称有限元模型。
[0134]
a2、建立实体有限元模型。基于轴对称模型要指定路径生成实体有限元单元，包括防尘罩、球头、球碗、球座、转向节、控制臂等结构，并删除a1中生成的轴对称模型。
[0135]
a3、材料及属性定义。按实际情况定义材料属性及结构件实体属性，对于非弹性结构，如控制臂、转向节、球头等，定义为刚体。
[0136]
a4、接触关系定义。定义所有结构件的外表面为接触面，并定义结构之间的接触关系。
[0137]
上述步骤a中，以下问题需要说明：
系统仿真模型，进行仿真结果有效性检查，提取防尘罩的位移场u，并输出防尘罩在设计姿态下的几何g1。
[0155]
b7、判定仿真精度。扫描设计姿态下防尘罩几何模型g2，导入通用结构设计软件，并导入步骤b7生成的防尘罩几何g1，对比几何g1和g2的最大位移差值δmax。
[0156]
a、若最大位移差值满足以下条件：
[0157]
δ
max
＜0.01*r
max
(3.1)
[0158]
其中rmax代表防尘罩初始状态下的最大直径。
[0159]
判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，转到步骤c。
[0160]
b、若最大位移差值不满足式a1的条件，判定基于附加刚度法的球头防尘罩系统模型满足仿真精度要求，需重复步骤b1～b6的过程，优化附加刚度模型的结构，以及材料、属性、接触、坐标系等参数设置，调整加载过程、加载速度、质量缩放系数等计算条件，直至达成a1式规定的精度要求，判定模型满足仿真精度要求，转到步骤c。
[0161]
上述步骤b中，以下问题需要说明：
[0162]
1、步骤b1中，以图3所示的附加刚度模型为例，附加刚度模型体现防尘罩与转向节之间的设计基准面，模型1的几何特征与转向节与防尘罩的接触面一致。同理，附加刚度模型2体现控制防尘罩与控制臂的轴向接触面几何特征，附加刚度模型3体现控制防尘罩与控制臂的径向接触面几何特征。为保证模型的准确性，尽量直接复制结构件的部分网格生成附加刚度模型。
[0163]
2、步骤b2中，以图4所示的附加刚度模型为例，防尘罩调整至与球头销接触位置，附加刚度模型1和3调整至与防尘罩接触位置，确保可以控制防尘罩轴向端部运动姿态，附加刚度模型2进行径向尺寸压缩处理，确保在防尘罩轴向位置调整后能正确控制径向尺寸。
[0164]
3、步骤b3中，以图4所示模型为例，附加刚度模型1和3定义为刚体，防尘罩及附加刚度模型2定义为可变形体。
[0165]
4、步骤b4中，以图4所示模型为例，定义以下接触：防尘罩与球头的接触、防尘罩与附加刚度模型1的接触、防尘罩与附加刚度模型3的接触。
[0166]
按需定义以下接触：防尘罩与与附加刚度模型2的接触，在径向姿态调整载荷步中定义。
[0167]
不定义以下接触：防尘罩与转向节的接触、防尘罩与控制臂的接触、附加刚度模型与除防尘罩之外的所有结构件之间接触。
[0168]
5、步骤b5中为便于加载，也可额外定义适用于附加刚度模型1和3的局部坐标系。
[0169]
6、步骤b6中，针对不涉及的位移、扭转角及径向位移，不需要定义。
[0170]
步骤c、球头防尘罩摆动工况计算
[0171]
本步骤目的在于球头防尘罩摆动耐久工况的仿真分析，通过dmu运动学分析或悬架系统cae分析获得球头防尘罩耐久摆角，基于附加刚度模型计算防尘罩的摆动应变，并基于防尘罩变形提升仿真精度。以图1所示的结构为例，按以下子步骤进行工作：
[0172]
c1、确定仿真工况。基于悬架系统的等幅耐久工况获得等效的球头防尘罩摆动耐久仿真工况，可采取以下任一种方式获得仿真条件：
[0173]
a、悬架系统运动学仿真分析。在悬架三维装配模型中，轮心位置施加垂向、纵向、侧向耐久工况位移载荷，提取转向节与控制臂之间的最大摆角变化δα。
[0174]
b、悬架系统结构仿真分析。在悬架系统有限元模型中，轮心位置施加各方向耐久工况载荷，提取球头轴线方向与控制臂方向的夹角变化，获得转向节与控制臂之间最大相对摆角变化δα。
[0175]
c2、定义边界及载荷条件。在步骤b中分析模型的基础上增加防尘罩摆动耐久载荷步，将c1中获得的最大摆角变化变化δα定义为防尘罩系统的载荷条件，以转向节端加载为例，转向节及转向节端附加刚度模型定义相同的位移载荷条件，控制臂端结构及附加刚度模型定义边界条件，并定义温度条件。
[0176]
c3、定义接触条件。在步骤c2新增的载荷步中定义转向节端除防尘罩外所有结构件之间的接触、防尘罩与球头的接触，定义控制臂端球头与结构件的接触，定义附加刚度模型与防尘罩之间的接触关系。
[0177]
c4、定义材料及属性。测试不同温度条件下防尘罩材料的应力-应变关系，并在仿真模型中定义不同温度下防尘罩材料的超弹性本构关系。
[0178]
c5、仿真模型求解。求解球头防尘罩摆动耐久工况分析模型，进行仿真结果有效性检查，提取不同温度ti下防尘罩的位移场u3i及应变场e3i，输出防尘罩变形后的几何g3i。
[0179]
c6、仿真精度校核。进行不同温度条件下的防尘罩摆动耐久台架试验，按照以下方式进行变形精度校核和应变精度校核：
[0180]
c61、变形精度：扫描相同温度和试验条件下防尘罩几何g3i’,将g3i和g3i’导入通用结构设计软件，获得g3i和g3i’的最大位移差值δ3max。
[0181]
c62、应变精度：在防尘罩上选择若干点，测量监测点的应变e3i’a、e3i’b
……
e3i’n，按照下式计算相同位置仿真与试验的应变差值：
[0182]
δe3
ij
＝|e3
ij-e3'
ij
|(3.2)
[0183]
式中e3ij是防尘罩第j个监测点在ti温度条件下应变的仿真结果，e3’ij是防尘罩第j个监测点在ti温度条件下应变的测试结果，δe3ij是防尘罩第j个监测点应变试验与仿真结果的差值，差值的最大值记做δe3max。
[0184]
a、若满足如下条件：
[0185][0186]
则判定仿真精度满足要求，转到步骤四。
[0187]
b、若不满足式c3规定的要求，判定仿真精度不满足结构设计要求，需重复步骤c2～步骤c4的操作，重点调整材料属性、附加刚度模型、接触条件等因素，直至满足式c3，判定仿真精度满足结构设计要求，转到步骤d。
[0188]
上述步骤c中，以下问题需要说明：
[0189]
1、步骤c1b方案中球头的轴线体现转向节的方向，球座或球碗的轴线方向体现控制臂的方向，二者之间夹角的变化体现转向节与控制臂之间的相对摆角变化。
[0190]
2、步骤c2中，可以在转向节端或控制臂端定义位移载荷条件，理论上完全等效。
[0191]
3、步骤c3中需确保附加刚度模型与防尘罩外的所有结构件之间不存在任何接触关系。
[0192]
4、通过步骤c2和c3的定义确保加载的完整性，并且避免过约束，以转向节和球头为例，若定义二者之间接触关系，则仅需要对其中一个部件定义位移边界条件。
[0193]
5、步骤c4中，可以直接定义材料的应力-应变测试数据，也可以根据材料测试数据拟合超弹性材料在不同本构模型的材料参数，通过参数定义材料属性。
[0194]
6、步骤c52中，测量监测点建议大于5处,且监测点位置建议依据仿真结果取大应变位置。
[0195]
步骤d、球头防尘罩旋转工况计算
[0196]
本步骤目的在于防尘罩绕球头销轴线旋转工况的耐久性设计，通过dmu运动学分析或悬架系统cae分析获得球头防尘罩自身的极限旋转角度，基于附加刚度模型计算防尘罩的旋转应变，并基于防尘罩变形判定仿真精度。仍基于图1所示的结构，并以转向节端(b端)加载为例，按以下子步骤进行工作：
[0197]
d1、确定仿真工况。基于悬架在车辆转弯的状态定义防尘罩的旋转耐久工况，可采取以下任一种方式获得仿真工况：a、悬架系统运动学仿真分析。在悬架三维装配模型中，施加转向工况位移载荷，提取转向节绕悬架主销的最大旋转角δβ。
[0198]
b、悬架系统结构仿真分析。在悬架系统有限元模型中，在转向节的转向拉杆施加最大拉杆载荷，提取转向节绕悬架主销的最大旋转角δβ。
[0199]
d2、定义边界及载荷条件。在步骤b有限元模型的基础上增加防尘罩绕主销轴线的旋转载荷步，以转向节端(b端)加载为例，定义δβ为转向节、转向节端附加刚度模型的位移载荷条件，在控制臂端的结构、附加刚度模型上定义边界条件。此外定义温度条件。
[0200]
d3、定义接触条件。在步骤d2新增的载荷步中，转向节端(b端)定义防尘罩与附加刚度模型或球头销之间的绑定关系、定义转向节与球头的绑定运动关系。控制臂端(a端)定义附加刚度模型与防尘罩之间的绑定运动关系，并定义控制臂端球头与结构件的接触。
[0201]
d4、仿真模型求解。求解球头防尘罩旋转工况分析模型，进行仿真结果有效性检查，并提取防尘罩的位移场u4及应变场e4，输出防尘罩变形后的几何g4。
[0202]
仿真精度校核。按照以下方式进行变形精度校核和应变精度校核：
[0203]
d51、变形精度：进行防尘罩摆动耐久台架试验，获得相同温度和试验条件下防尘罩几何g4i’，将g4i和g4i’导入通用结构设计软件，获得g4i和g4i’的最大位移差值δ4max。
[0204]
d52、应变精度：进行防尘罩摆动耐久台架试验，在防尘罩上选择若干点，测量监测点的应变e4i’a、e4i’b、
……
、e4i’n，按照下式计算相同位置仿真与试验的应变差值：
[0205]
δe4
ij
＝|e4
ij-e4'
ij
|(3.4)
[0206]
式中e4ij是防尘罩第j个监测点在ti温度下应变的仿真结果，e4’ij是防尘罩第j个监测点在ti温度条件下应变的测试结果，δe4ij是防尘罩第j个监测点在ti温度下应变测试与仿真结果的差值。
[0207]
a、若满足如下条件：
[0208][0209]
则判定仿真精度满足要求，转到步骤五。
[0210]
b、若不满足式c5规定的要求，判定仿真精度不满足结构设计要求，需重复步骤d2～步骤d4的操作，重点调整材料属性、附加刚度模型、接触条件等因素，直至满足式c5，判定仿真精度满足结构设计要求，转到步骤e。
[0211]
上述步骤d中，以下问题需要说明：
[0212]
1、实车中轮心的载荷静转向节传递到控制臂，转向节端(b端)绕球头销轴线转动，控制臂端(a端)固定到下控制臂，相对静止。但在仿真中，探讨防尘罩的变形，在转向节端(b端)和控制臂端(a端)加载等效，因此步骤d2中可按计算方便进行定义。
[0213]
2、步骤d3中，可以在转向节端(b端)将防尘罩与附加刚度模型或球头销外表面之间定义绑定的关系，也可以直接将b端附加刚度模型与防尘罩局部共节点，或将防尘罩与球头销局部共节点，二者对于步骤d的分析等效。
[0214]
步骤e、防尘罩耐久性优化设计
[0215]
本步骤进行防尘罩疲劳强度校核及结构设计。按照超弹性材料的许用应变判定结构的疲劳强度条件，并进行结构优化设计。按以下子步骤进行工作：
[0216]
强度校核。按照式c6规定的方式计算防尘罩的耐久安全系数：
[0217][0218]
式中，e3maxi和e4maxi分别是不同温度下防尘罩结构应变场e3和e4中的最大应变值，[εi]是防尘罩在不同温度下的疲劳许用应变，n为空簧结构件在耐久工况下的安全系数，i代表温度条件。
[0219]
a、若满足以下条件：
[0220][0221]
判定防尘罩满足耐久性设计要求，流程结束。
[0222]
b、若不满足式c7规定的条件，判定球头防尘罩不满足耐久性设计要求，转到步骤e2。
[0223]
e2、防尘罩优化迭代。对结构件进行结构、材料性能优化设计，针对优化后的结构重复步骤a～步骤d的操作，直至满足式c7要求，结束流程。
[0224]
上述步骤e中，以下问题需要说明：
[0225]
1、步骤e2中，若结构危险位置数量较少，建议单独针对危险位置进行结构优化；若不满足设计要求的位置数量较多，建议结合专业的结构优化仿真软件进行结构优化，在结构优化仿真中可以设定应变或变形条件作为优化约束或优化目标。