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        基于ANSYS的汽車鋼板彈簧有限元分析

        2010-01-08 00:29:12徐建全陳銘年
        海峽科學(xué) 2010年12期
        關(guān)鍵詞:板簧彈簧螺栓

        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(jī)電工程學(xué)院

        采用APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù),對(duì)某輕型載貨汽車的前鋼板彈簧進(jìn)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(shí)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(jiǎn)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(dòng)時(shí)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(zhǎng)期以來,用于剛度計(jì)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(shí)際不完全相符,因此計(jì)算結(jié)果和實(shí)際相差較大[2-3]。本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行有限元分析,應(yīng)用點(diǎn)-面接觸單元?jiǎng)澐职寤善g可能的接觸面,對(duì)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(shí)際受載情況對(duì)鋼板彈簧加載,計(jì)算的結(jié)果與實(shí)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(duì)鋼板彈簧進(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,它是SOLID45 (3維8節(jié)點(diǎn))高階單元形式,此單元能夠容許不規(guī)則形狀,并且不會(huì)降低精確性,特別適合邊界為曲線的模型;同時(shí),其偏移形狀的兼容性好,SOLID95有20個(gè)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)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(jì)算中,需要耗費(fèi)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(gè)SOLID95單元與8 203個(gè)節(jié)點(diǎn)。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?yàn)榻佑|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(diǎn)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(shí)別接觸對(duì)與生成接觸單元,設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)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(biāo)單元)與CONTA174(三維8節(jié)點(diǎn)面與面接觸單元)。CONTA174單元與SOLID95單元都帶有中間節(jié)點(diǎn),這樣有助于接觸對(duì)的收斂。本文單元的實(shí)常數(shù)采用默認(rèn)值。摩擦采用庫(kù)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(gè)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(rèn)為各片之間沒有相對(duì)滑移。所以,可以把鋼板彈簧各片在中心孔上的坐標(biāo)相同的節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn)在方向的自由度都加以約束,在浮動(dòng)卷耳的一端,只約束圓柱體中軸線上節(jié)點(diǎn)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(gè)載荷步進(jìn)行:第1個(gè)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(shí),各片在裝配狀態(tài)下的變形與應(yīng)力,第2個(gè)載荷步模擬加載過程。本文分10個(gè)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(diǎn)在方向的位移量作為板簧變形的撓度。計(jì)算出載荷步二的十個(gè)子步的撓度數(shù)據(jù)如表2所示,經(jīng)計(jì)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(shì),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(qiáng)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(duì)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(jìn)行了剛度和強(qiáng)度分析,為鋼板彈簧的改進(jìn)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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

        [2]谷安濤.應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行鋼板彈簧精確設(shè)計(jì)[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(jì)中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):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(shí)例[M].北京:中國(guó)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(cè)[M].北京:機(jī)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(jī)械強(qiáng)度,2005,27(5):647-650.

        [8] 張進(jìn)國(guó),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(jī)與農(nóng)用運(yùn)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

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