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原文传递汽车用螺纹联接结构防松性能预测方法研究

论文题名：	汽车用螺纹联接结构防松性能预测方法研究
关键词：	汽车螺纹联接结构;防松性能;预测模型;力学分析;支持向量机;显式代理模型
摘要：	螺纹联接广泛应用于汽车零部件的装配中，其性能对整车结构的安全性与可靠性具有重要影响。松动是螺纹联接在服役过程中常见的失效形式之一，由此引发泄漏、异响、断裂等故障，甚至成为整体结构破坏、失效的主要原因，导致产品故障甚至重大安全事故。因此，研究螺纹联接结构防松性能（临界松动条件）预测方法具有重要的意义和工程应用价值。然而，汽车螺纹联接结构在复杂工况下承受复合动态载荷作用，且存在不同夹紧、加载形式与滑移状态，这为准确、高效地预测与验证螺纹联接防松性能带来了很大挑战。基于此，本文结合力学（有限元分析）、支持向量机与显式代理模型方法，并利用三种方法的优势提升了防松性能的预测精度和计算效率，主要研究工作如下：　　（1）基于动态工况载荷的汽车螺纹联接结构特征与力学分析。针对在车辆行驶工况下获取螺纹联接结构动态载荷难度高与误差大的问题，通过准静态标定试验、整车道路试验对所建立的动力学模型进行标定，以此模拟仿真车辆行驶工况，从而保证了获取准确的动态载荷。在此基础上，对动态载荷作用下汽车螺纹联接结构的特征与力学行为进行分析，为后续螺纹联接性能预测方法研究提供数据与理论依据。　　（2）建立了面向工程实际的螺纹联接性能数值计算模型。针对工程实际中，因动态复合载荷与影响因素的复杂性，而无法准确预测与验证螺纹联接性能的问题，综合考虑动态载荷复合作用、被联接件分界面滑移状况、螺纹面微观受力状态以及偏心夹紧、偏心加载对联接结构弹性回弹量、载荷系数的影响，构建了螺纹联接结构的力学模型；通过测定剪应力应用系数以准确计算螺栓复合应力，建立了结构参数、工作载荷与联接性能之间的数值计算模型，从而拓展了数值计算模型的适用范围。最后，通过所构建的临界旋转松动残余预紧力测试方法与屈服/疲劳失效-未失效装配预紧力测试方法，验证了模型在工程实际中的准确性与可靠性。　　（3）建立了基于特征融合加权与混合核函数加权支持向量机的松动失效判定方法。针对标准支持向量机对防松性能预测精度低的问题，基于数值计算模型，对存在映射关系的特征进行融合与降维，提升预测精度；基于先验知识与信息增益相结合的方法计算特征向量的权重，并考虑特征权重对混合核函数权重计算的影响，运用特征距离最小-最大原理建立了混合核函数权重的确定性计算方法，从而提升权重计算与特征选择的准确性；通过样本数据库验证了新构建支持向量机的准确性与优越性，为解决防松性能预测难题提出一种新思路。　　（4）构建了基于融合模型的螺纹联接防松性能预测方法。为进一步提升防松性能预测精度，通过融合力学模型、有限元分析与支持向量机，并利用三者的优势实现防松性能的准确预测。通过力学模型与有限元分析研究结构参数、载荷与摩擦阻力矩、旋转扭矩的量化关系，并将摩擦阻力矩与旋转扭矩作为支持向量机的特征向量，从而解决支持向量机维数多、预测精度相对较低的问题；同时，通过支持向量机训练工程案例样本，可减小力学模型、有限元分析与实际输出结果之间的误差，从而提升防松性能的预测精度，为解决防松性能预测难题提出一种新方法。　　（5）建立了计算效率较高的显式代理模型预测方法。为了在工程实际中提升结构失效预测与优化效率，将关键样本特征作为代理模型的输入变量，利用融合模型预测精度高的优点，基于插值法与融合模型计算螺纹联接结构的临界松动预紧力（作为输出响应），以此构建了关键特征与临界松动预紧力之间的显式代理模型，在此基础上建立了结构失效模式预测、性能与成本优化方法，实现螺纹联接结构的正向设计与开发，为工程应用提供直观、高效的设计依据与技术支持。
作者：	郭胜会
专业：	机械工程
导师：	莫易敏;博导
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2020