基于固有频率变化的报废汽车零件再使用强度评价理论研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 12 4 1.93MB 54 页 15积分
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摘 要
报废汽车零件再使用不但具有巨大的经济价值，还可以节约资源、能源和减
少环境污染。报废汽车零件再使用前必须进行剩余强度和剩余寿命等方面的技术
评估，现有的理论和方法过多地考虑载荷的损伤，评估结果过于保守，不利于报
废汽车零件的回收再利用。为了实现汽车工业的可持续发展，缓解经济社会发展
和资源稀缺的矛盾，必须提高报废汽车资源的回收率。因此对于报废汽车零件的
再使用剩余强度评价非常重要。
本文通过对报废汽车零件回收评价的基础理论作了深入研究，分析了通过固
有频率变化与剩余强度退化之间的规律，考虑到以往剩余强度衰减模型多数以寿
命循环比作为变量，这里借用模态分析中固有频率的变化来监测损伤，作为模型
的输入部分。通过对剩余强度衰减模型的讨论，建立剩余强度衰减模型的边界条
件，根据已有模型，加入固有频率变化的输入，并考虑有强化效果，最终提出一
种新的基于频率变化的剩余强度衰减模型，并考虑了载荷的强化作用在内。
通过对疲劳试验后 40Cr 标准传动轴试样进行模态测试，得到材料固有频率的
变化，进而得出材料剩余强度理论值；然后对试样进行剩余强度测试来得到剩余
强度试验值，最后通过对比理论值与试验值验证了模型的正确性。
基于固有频率变化的汽车零件再使用剩余强度评价方法，可以在不产生损伤
的条件下，正确的评价整车及车辆各结构件的剩余强度，充分发挥车辆的强度潜
力，减少材料和能源的浪费，为国家创造很大的社会和经济效益，也为将来国家
制定新的汽车报废标准提供技术参考。
关键词：回收再使用 强度评价 固有频率 强化 报废汽车零件回收
ABSTRACT
Retrieving of End-of-Life Vehicle (ELV) components not only can provide the
huge economic value, but also can save resources, energy and reduce the pollution of
the environment. Technology assessment of residual strength and remaining life must
be carried out before reusing of ELV components. The existing theories and methods
considering load of damage too much. Conservative results assessed by these theories
and methods go against the retrieving of ELV components. It is recommended that the
society should develop in an economical and recycled way, so in utmost efforts for the
sustainable development and to ease the conflicts between growing economy and
diminishing resources, the recycling rate of scraped cars should be increased. And
assessing the residual strength of scraped vehicle components will be of great
significance.
Based on automobile recycling and assessment theories, this dissertation studied
the regulations between the frequency changes and degradation of residual strength.
Since most attenuation models take the lifespan as the variable, this essay uses the
modal natural frequency changes to monitor the damage which would be taken as the
inputs of the model. Then boundaries conditions of the attenuation model are acquired.
On the ground of that model and previous initiatives a new type residual strength
attenuation model is presented which gives reasonable consideration to the
strengthening effect and loads’ reinforcement.
In an experiment which tests modal parameters of 40Cr sample, that material’s
laws in its natural frequency is obtained, Further test provides the concrete values of the
residual strength of different samples, and comparison of theoretical and practical
strength values has validate the feasibility of this model.
This residual strength evaluating method of ELV components based on the natural
frequency changes, could give precise gauge to residual strength of various vehicle
structures on the condition of no damage, and make great use of the automobile’s
strength. It contributes a great deal both socially and economically, and provides
valuable norms for the national vehicle recycling.
Key Words ：Retrieve and reuse ，Strength assessment ，Natural
frequency ，Recycling of End-of-Life Vehicle
components
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 .................................................................................................................1
§1.1 课题来源及背景 ...............................................................................................1
§1.1.1 课题来源 ...............................................................................................1
§1.1.2 选题背景 ...............................................................................................1
§1.2 研究意义 ...........................................................................................................3
§1.2.1 可持续发展的意义 ................................................................................3
§1.2.2 社会现实意义 .......................................................................................3
§1.3 国内外研究现状 ...............................................................................................4
§1.3.1 国外报废汽车再使用现状 ....................................................................4
§1.3.2 国内报废汽车再使用现状 ...................................................................7
§1.3.3 报废汽车零件再利用强度评价 ............................................................8
§1.4 本文研究的主要内容 .....................................................................................10
第二章 报废汽车零件再使用强度评价基础理论 .......................................................11
§2.1 疲劳概述 .........................................................................................................11
§2.1.1 疲劳损伤 ..............................................................................................11
§2.1.2 剩余强度 .............................................................................................11
§2.2 载荷的损伤和强化 .........................................................................................12
§2.3 低载强化现象 .................................................................................................13
§2.4 本章小结 .........................................................................................................14
第三章 基于频率的剩余强度评价模型 .......................................................................15
§3.1 引言 .................................................................................................................15
§3.2 现有的剩余强度衰减模型及缺点 .................................................................15
§3.3 固有频率与剩余强度的关系 .........................................................................16
§3.3.1 固有频率 .............................................................................................16
§3.3.2 固有频率变化与剩余强度的关系 .....................................................17
§3.4 基于频率变化的剩余强度模型 .....................................................................19
§3.4.1 基于固有频率变化的剩余强度衰减模型 ..........................................19
§3.4.2 有强化效果的剩余强度衰减模型 .....................................................21
§3.5 本章小结 .........................................................................................................23
第四章 模态测试试验及剩余强度预估 .......................................................................24
§4.1 引言 .................................................................................................................24
§4.2 疲劳试验 ........................................................................................................24
§4.3.1 试验材料及热处理 ..............................................................................24
§4.3.2 试验分析 ..............................................................................................25
§4.3.3 试样选取及编号 ..................................................................................27
§4.3 模态试验 .........................................................................................................28
§4.3.1 试验目的 ..............................................................................................28
§4.3.2 试验方案 ..............................................................................................28
§4.3.3 试验步骤 ..............................................................................................29
§4.4 模态试验结果分析 .........................................................................................31
§4.3.3 模态分析 ..............................................................................................31
§4.3.3 固有频率数据及计算选取 ..................................................................34
§4.3.3 剩余强度预估 ......................................................................................36
§4.5 本章小结 ........................................................................................................37
第五章 剩余强度试验和分析 .......................................................................................38
§5.1 引言 ................................................................................................................38
§5.2 剩余强度验证试验 .........................................................................................38
§5.2.1 试验目的 ..............................................................................................38
§5.2.2 试验方案 ..............................................................................................38
§5.2.3 试验结果 ..............................................................................................40
§5.3 试验结果分析 ................................................................................................42
§5.2.1 试验结果对比及误差分析 .................................................................42
§5.2.1 结论 ......................................................................................................43
§5.4 本章小结 .........................................................................................................44
第六章 结论与展望 .......................................................................................................45
§6.1 结论 .................................................................................................................45
§6.2 论文的创新点 .................................................................................................45
§6.3 下一步研究展望 .............................................................................................46
参考文献 .........................................................................................................................47
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................51
致 谢 .............................................................................................................................52
第一章 绪 论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题来源及背景
§1.1.1 课题来源
本课题受下列基金资助：上海市自然科学基金（09ZR1422000）Shanghai Natural
Science Foundation（09ZR1422000 ）,考虑小载荷强化的疲劳累积损伤研究，
2009.08.01-2011.7.31
上海市教育委员会科研创新项目（11YZ114）Supported by Innovation Program
of Shanghai Municipal Education Commission. “报废汽车零件再使用强度可靠性评
价技术研究”, 2010.1.1-2013.12.30.
§1.1.2 选题背景
全球气候变化，大气臭氧层破坏、土地沙漠化、生物多样性减少等引起的一
系全球性经济、社会、资源和环境重大问题已经不是新闻了，联合国开发计划署
驻华代表处提出将本年度《人类发展报告》国别报告的主题确定为“迈向低碳经
济和社会的可持续未来”，人类社会未来发展将围绕节约能源、低碳环保等主题。
可持续发展是指既满足当代的发展需要又不致损害子孙后代的发展需求，维护生
态环境的和谐，使人类社会长远持续地发展。可持续发展已经成为21世纪国际社
会的共识，必将成为人类历史上的一次深刻的革命。
自从1885年，德国工程师卡尔•本茨制成了世界上第一辆三轮车，1886年1月29
日被认为汽车的诞生日。至今汽车已经发展了100多年了，汽车给人们的生活带来
了巨大地改变，也带来了无尽的便利，与人们的生活已经密不可分了。但是随着
全球汽车保有量的不断增加，汽车在生产和使用过程中对各种材料和能源的需求
量也在持续增长，而这些资源大多数是不可再生资源；并且汽车生产耗用大量的
能源和材料的同时，每年的废旧汽车数量也在急剧增长，大量废旧汽车的积存也
对生态环境造成了严重地污染。据测算，每报废一辆汽车可以节约1t燃油、回收2.4t
废钢铁和45kg有色金属[1]。为了缓解资源短缺与资源浪费[2-9]的矛盾，减少大量报
废汽车产品对环境的危害，做好节能环保的工作，求得社会和经济的可持续发展，
当今世界汽车工业面临和亟待解决的问题是如何开展汽车回收利用的研究。
汽车报废并不代表它的所有总成和零部件都已失去使用价值，统计数据表明，
一辆报废的汽车，真正失去原有效能的零部件不到总数的5％，其余的各部件完全
基于固有频率变化的报废汽车零件再使用强度评价研究
2
可以经过适当翻新重新使用。这些零配件的再生利用，既可以减少再加工的社会
成本(如金属零件的再冶炼、再加工)，又可以节省资源消耗，同时也可降低维修、
制造的成本。因此，如何能够合理有效地回收报废汽车，最大可能地利用这些资
源，处理好汽车工业和生态环境保护之间的关系，是可持续发展中的重大问题之
一。汽车发达国家如美国、日本和德国等早在二十世纪六七十年代就意识到汽车
回收问题的重要性，提出了废旧汽车再生利用的概念。接下来的半个世纪，欧、
美、日等发达国家又相继出台了有关报废汽车回收利用的法律法规，以防止报废
汽车对环境的污染，并对回收利用水平作了详细的规定，以推动材料回收处理技
术的进步和循环经济的发展。他们对汽车回收做了很多具体、深入和实用的研究，
各大汽车公司也成立了专门的汽车回收试验中心，而且报废汽车的回收更侧重于
对环境的保护。如今，汽车回收业已成为这些国家汽车产业中较有发展前途的产
业。
我国的汽车回收研究尚处于起步阶段，主要存在报废汽车回收率低、再利用
率低和环保水平低、管理无序、技术落后等问题，并且缺乏统一行业规范，也没
有专业的回收研究中心。去年我国的汽车保有量突破7000万辆，汽车报废量达到
270万辆，以6%的汽车报废率计算，到2020年我国的汽车报废量将超过900万辆。
然而，目前我国依法报废的汽车最多只占到应报废汽车总量的40%。尽管2006年2
月初，国家发展和改革委委员会、科学技术部和国家环保总局联合制定了《汽车
产品回收利用技术政策》[10, 11]，国家强调了汽车零部件的可回收利用。
目前，如何检测报废汽车零件是否可以回收在使用，尚无有效的技术措施和
手段。对报废汽车结构件来说，判断其是否可回收利用，关键是它的剩余强度能
否满足继续使用的要求。人类社会发展需要我们实现在无损条件下，正确的评价
整车及车辆各结构件的剩余强度，充分发挥车辆的强度潜力，减少材料和能源的
浪费，为国家创造很大的社会和经济效益，也为将来国家制定新的汽车报废标准
提供技术参考。
目前，剩余强度评价主要是基于应力-强度干涉模型。剩余强度模型由于其天
然的破坏准则，受到到国内外众多研究者的重视[12-15]，虽然已提出了大量的剩余
强度模型，但是使用不理想。本文试图在长期强度研究的基础上，提出一种基于
固有频率测试的结构件强度无损评价的简易方法。
摘要：

摘要报废汽车零件再使用不但具有巨大的经济价值，还可以节约资源、能源和减少环境污染。报废汽车零件再使用前必须进行剩余强度和剩余寿命等方面的技术评估，现有的理论和方法过多地考虑载荷的损伤，评估结果过于保守，不利于报废汽车零件的回收再利用。为了实现汽车工业的可持续发展，缓解经济社会发展和资源稀缺的矛盾，必须提高报废汽车资源的回收率。因此对于报废汽车零件的再使用剩余强度评价非常重要。本文通过对报废汽车零件回收评价的基础理论作了深入研究，分析了通过固有频率变化与剩余强度退化之间的规律，考虑到以往剩余强度衰减模型多数以寿命循环比作为变量，这里借用模态分析中固有频率的变化来监测损伤，作为模型的输入部分。通过...

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