徐建全 鄭 永 陳銘年

基于ANSYS的汽車鋼板彈簧有限元分析

徐建全 鄭 永 陳銘年

福建農(nóng)林大學(xué)機電工程學(xué)院

采用APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)，對某輕型載貨汽車的前鋼板彈簧進行參數(shù)化建模。應(yīng)用ANSYS軟件的非線性模塊，考慮鋼板彈簧實際工作過程中的大變形、片間接觸和摩擦等多種非線性因素，建立了鋼板彈簧的有限元模型，得到了鋼板彈簧在不同載荷作用下的變形和應(yīng)力分布。

鋼板彈簧；有限元分析；ANSYS；接觸單元

引言

鋼板彈簧是歷史最悠久的汽車部件之一，它結(jié)構(gòu)簡單、保養(yǎng)維修方便、制造成本低，與其它彈性元件比較，不僅起著彈性元件的作用，而且也能起著導(dǎo)向元件的作用，并且能傳遞各種力和力矩，其片間的接觸、摩擦在彈簧振動時還將起到阻尼的作用，因此是目前汽車懸架特別是貨車懸架廣泛采用的一種彈性元件[1]。

長期以來，用于剛度計算及應(yīng)力分析的方法主要有兩種:共同曲率法和集中載荷法。前者假設(shè)板簧受載后各簧片在同一截面上都具有相同的曲率，后者假設(shè)板簧各片僅在端部相互接觸。但這兩種假設(shè)都與實際不完全相符,因此計算結(jié)果和實際相差較大[2-3]。本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件對鋼板彈簧進行有限元分析，應(yīng)用點-面接觸單元劃分板簧片之間可能的接觸面，對板簧兩端的卷耳、中心螺栓和U型螺栓的約束做了合理的模擬，盡可能的按照實際受載情況對鋼板彈簧加載，計算的結(jié)果與實際的更加接近。

1 鋼板彈簧的有限元建模

1.1 鋼板彈簧有限元幾何模型的建立

本文所分析的某輕型載貨汽車的前鋼板彈簧由10片板簧組成，具體尺寸如表1所示。其中，片寬都是70 mm，第1與第2片厚度為8 mm，第3片到第10片厚度為7 mm。

表1 鋼板彈簧的尺寸

采用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)，對鋼板彈簧進行參數(shù)化建模[4,5,8]。生成的幾何模型如圖1所示。

圖1 鋼板彈簧的有限元幾何模型

1.2 鋼板彈簧的材料屬性

在幾何模型建立后進行材料屬性的定義，鋼板彈簧的材料為60CrMnBa，彈性模量為2.05×105MPa，泊松比為0.3，屈服極限為1 100 MPa，抗拉強度為1 250 MPa。

1.3 鋼板彈簧的網(wǎng)格劃分

采用ANSYS軟件中的SOLID95實體單元進行網(wǎng)格劃分，它是SOLID45 (3維8節(jié)點)高階單元形式，此單元能夠容許不規(guī)則形狀，并且不會降低精確性，特別適合邊界為曲線的模型；同時，其偏移形狀的兼容性好，SOLID95有20個節(jié)點，每個節(jié)點有3個自由度(方向)，此單元在空間的方位任意，具有塑性、蠕變、輻射膨脹、應(yīng)力剛度、大變形以及大應(yīng)變的能力。在非線性有限元計算中，需要耗費大量的資源，所以在保證精度的前提下, 鋼板彈簧的單元應(yīng)盡可能的少，本文的鋼板彈簧劃分為1 066個SOLID95單元與8 203個節(jié)點。網(wǎng)格劃分后的鋼板彈簧模型如圖2所示。

圖2 鋼板彈簧網(wǎng)格劃分圖

1.4 鋼板彈簧的片間接觸單元的建立

在鋼板彈簧的片與片之間，因為接觸與否事先未知，而且接觸后存在著滑移，所以在片與片的節(jié)點間建立接觸單元，模擬片間的作用力。在ANSYS中，接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元，主要通過識別接觸對與生成接觸單元，設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常數(shù)來創(chuàng)建。利用接觸單元可以跟蹤接觸位置、保證接觸協(xié)調(diào)性防止接觸表面相互穿透；并在接觸表面之間傳遞接觸應(yīng)力(正壓力和摩擦力)[7]。本文選用的接觸單元分別是TARGE170（三維目標單元）與CONTA174（三維8節(jié)點面與面接觸單元）。CONTA174單元與SOLID95單元都帶有中間節(jié)點，這樣有助于接觸對的收斂。本文單元的實常數(shù)采用默認值。摩擦采用庫侖模型，鋼板彈簧之間的摩擦系數(shù)取0.2。圖3為接觸區(qū)域的示意圖，共1455個接觸單元。

圖3 接觸區(qū)域的示意圖

1.5 中心螺栓與U型螺栓及卷耳約束模型的建立

在中心螺栓的作用區(qū)域內(nèi)，鋼板彈簧各片都被壓緊，因此可以認為各片之間沒有相對滑移。所以，可以把鋼板彈簧各片在中心孔上的坐標相同的節(jié)點的的方向的自由度耦合起來，以此來模擬中心螺栓的約束。在U型螺栓的作用下，各片在U型螺栓內(nèi)的部分被壓平，通過在建模過程中將U型螺栓內(nèi)的部分變平來模擬U型螺栓的作用。卷耳的約束方法是將卷耳內(nèi)加入一個彈性模量比板簧材料小的圓柱體，把它與卷耳相互粘接起來。在固定卷耳的一端，把圓柱體中軸線上的節(jié)點在方向的自由度都加以約束，在浮動卷耳的一端，只約束圓柱體中軸線上節(jié)點在方向的自由度[6,7]。約束模型如圖4所示。

1.6 模型的加載

鋼板彈簧的有限元模型加載分2個載荷步進行：第1個載荷步中載荷為0，以得到只有中心螺栓和U型螺栓約束時，各片在裝配狀態(tài)下的變形與應(yīng)力，第2個載荷步模擬加載過程。本文分10個子步加載，滿載為7 000 N，方向垂直向上。模型的加載如圖5所示。

圖4 鋼板彈簧約束

圖5 模型加載

2 結(jié)果與分析

將鋼板彈簧主片上中心孔的一點在方向的位移量作為板簧變形的撓度。計算出載荷步二的十個子步的撓度數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)計算鋼板彈簧的平均剛度為107.4 N/mm大于額定剛度76.6 N/mm，滿足剛度要求。隨著載荷的增大，鋼板彈簧的剛度值有非常緩慢減小的趨勢，這是由于鋼板彈簧在承載的變形過程中，存在幾何大變形，使鋼板彈簧剛度值隨其曲率半徑的增大而減小，即存在一定的幾何非線性。滿載下鋼板彈簧的變形和最大米塞斯應(yīng)力云圖，如圖6所示，最大應(yīng)力=869 MPa小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。

表2 鋼板彈簧的撓度

圖6 滿載下鋼板彈簧的變形和VonMises等效應(yīng)力云圖

4 結(jié)語

本文采用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化建模，通過對10片鋼板彈簧的非線性有限元分析，得出了鋼板彈簧的撓度和應(yīng)力數(shù)據(jù)，進行了剛度和強度分析，為鋼板彈簧的改進設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

[1]劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[2]谷安濤.應(yīng)用CAE技術(shù)進行鋼板彈簧精確設(shè)計[J].汽車工程, 2002, 24 (1):73-75.

[3] 鄭銀環(huán),張仲甫. ANSYS接觸分析在鋼板彈簧設(shè)計中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報:信息與管理工程版,2009,31(5):752-754.

[4]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社,2004.

[5]龔曙光,謝桂蘭,黃云清.ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.

[6]涂敏.汽車鋼板彈簧有限元分[M]析.北京：清華大學(xué),2003.

[7]王霄鋒,涂敏.汽車鋼板彈簧的應(yīng)力和變形分析[J].機械強度,2005,27(5)：647-650.

[8] 張進國,陳俊云.基于ANSYS參數(shù)化語言汽車鋼板彈簧有限元分析及優(yōu)化[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車,2007,34(6)：90-91.

Finite Element Analysis of Automobile Leaf Spring Based on ANSYS

Xu Jianquan，Zheng Yong，Chen Mingnian

(College of Mechanical and Electrical Engineering，F(xiàn)ujian Agricultural and Forestry University，F(xiàn)uzhou 350002，China )

A parameterization model of light-duty truck’s front leaf spring is built by the APDL. On account of large deformation, interleaf contact and friction under actual working process, a finite element model of the leaf spring is built using the ANSYS software based on nonlinear finite element. The deformation and stress distribution under different loads were obtained.

leaf spring；finite element analysis；ANSYS；contact element