基于膜片疲劳寿命分析的车用喇叭结构参数优化研究

摘要

为了引起道路上行人和往来车辆的注意，确保我们的行车安全，每辆汽车上都配备了电喇叭，其性能的好坏将会直接关系着交通安全，因此喇叭的作用不能忽视。国内的汽车用户对喇叭的使用率以及性能需求相对国外来说要高许多，而国内汽车喇叭生产厂家出于成本或者其他因素的考虑并未将喇叭的寿命与性能提高到合适的水平。本文以某车用喇叭膜片为研究对象，对其疲劳寿命进行研究，以期为膜片的结构参数设计提供参考。主要开展了如下的研究工作:
　　从疲劳裂纹的萌生、扩展以及断裂等方面解释了疲劳产生的机理，具体说明了应力集中、载荷形式、以及表面状态等因素对疲劳寿命的影响。阐述了疲劳损伤累积理论，推导出通过线性累积损伤理论估算材料疲劳寿命的方法。
　　描述了机械触点式汽车喇叭的基本结构及工作原理，在往复电磁力的作用下，喇叭膜片不断振动从而向外辐射声波，因此，喇叭膜片的碎裂成为喇叭失效的主要形式。利用Solidworks和Hypermesh建立喇叭膜片的有限元模型，对其划分网格，约束并求解，得到该膜片的低阶主振形，通过对比分析主振形情况，得出只有一阶模态时，膜片是做活塞式运动。再将经Hypermesh处理过的喇叭膜片三维模型导入到Ansys中进行谐响应分析，简化电磁力为正弦激励，得到关键点的频率-位移变化曲线和频率-应力变化曲线，分析主振方向及受应力最大节点，得出喇叭膜片受到最大应力位置出现在其折线带区域。
　　通过试验采集动铁芯位移随时间变化的信息，根据刚柔耦合多体动力学的基本理论，在Adams中对喇叭膜片和动铁芯进行运动学仿真分析，获得喇叭膜片中心的载荷谱。利用疲劳分析软件Fatigue对喇叭膜片的疲劳寿命进行估计，得出该膜片使用寿命最短的地方在靠近动铁芯的折线带处，寿命为8.51×104次。
　　最后基于喇叭膜片疲劳寿命的分析，根据有限差分法求解出各个因素的灵敏度，得到喇叭膜片厚度对疲劳寿命的影响最为敏感。建立正交试验，经过计算与分析，确定某车用喇叭膜片结构参数的优化方案，将喇叭膜片的疲劳寿命提高到了1.03×105次，为车用喇叭的结构设计提供参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车用喇叭的研究现状

1．2．2 疲劳寿命算法国内外研究现状

1．3 本文的主要研究内容

第二章 疲劳分析的基本理论与方法

2．1 疲劳产生的机理

2．1．1 疲劳裂纹萌生

2．1．2 疲劳裂纹扩展

2．1．3 疲劳裂纹断裂

2．2 疲劳的分类

2．3 影响疲劳寿命的因素

2．3．1 材料外表面状态对疲劳寿命的影响

2．3．2 应力施加状态对疲劳寿命的影响

2．3．3 加载方式对疲劳寿命的影响

2．4 S-N曲线

2．5 疲劳损伤累积理论

2．5．1 线性累积损伤理论

2．5．2 双线性疲劳累积损伤理论

2．5．3 非线性疲劳累积损伤理论

2．6 累积损伤计算与疲劳寿命估算

2．7 本章小结

第三章 喇叭膜片的有限元分析

3．1 汽车喇叭结构和工作原理

3．2 喇叭膜片破裂分析

3．3 模态分析

3．3．1 弹性体振动理论基础

3．3．2 模态特征值提取方法

3．4 膜片振动频率的计算

3．5 膜片的模态分析

3．5．1 喇叭膜片有限元模型的建立

3．5．2 网格划分

3．5．3 约束并求解

3．5 本章小结

第四章 喇叭膜片的谐响应分析

4．1 谐响应分析理论和分析方法

4．1．1 谐响应分析运动方程

4．1．2 谐响应分析方法

4．2 喇叭膜片的谐响应分析

4．2．1 电磁力计算

4．2．2 加载及求解

4．3 本章小结

第五章 喇叭膜片的疲劳寿命分析

5．1 动态载荷试验

5．1．1 载荷谱的定义

5．1．2 试验条件

5．1．3 试验方法

5．2 膜片的动力学分析

5．2．1 刚柔耦合多体动力学

5．2．2 膜片的动力学仿真

5．3 膜片的疲劳寿命分析

5．3．1 Fatigue简介

5．3．2 材料的疲劳属性分析

5．3．3 疲劳寿命分析

5．4 本章小结

第六章 喇叭膜片的结构参数优化

6．1 灵敏度分析

6．1．1 灵敏度分析定义

6．1．2 灵敏度分析计算方法

6．1．3 膜片的结构参数对疲劳寿命的影响

6．2 车用喇叭膜片的优化

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究工作

7．2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果