朱劍寶

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基于CAD/CAE的汽車(chē)鋼板彈簧力學(xué)性能分析

朱劍寶

福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車(chē)運(yùn)用與工程機(jī)械系

利用CAD/CAE技術(shù)，考慮了大變形、片間接觸摩擦等非線性因素，建立了某客車(chē)鋼板板簧的非線性有限元模型，對(duì)板簧滿(mǎn)載負(fù)荷時(shí)的應(yīng)力、變形進(jìn)行了仿真分析，得出剛度和強(qiáng)度性能，為多片等截面鋼板彈簧的精益設(shè)計(jì)提供了參考作用。

CAD/CAE；鋼板彈簧；性能分析

引言

鋼板彈簧作為汽車(chē)懸架的彈性元件，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，獲得了廣泛的應(yīng)用，由于其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)汽車(chē)的安全性、舒適性都有重要的影響，因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的計(jì)算對(duì)于保證汽車(chē)性能及汽車(chē)的輕量化都有重要的意義。很多工程師和學(xué)者去研究其計(jì)算方法。在載荷-撓度特性這一基本問(wèn)題上，傳統(tǒng)的辦法還是套用線性板簧設(shè)計(jì)中的“共同曲率法”和“集中載荷法”進(jìn)行計(jì)算，這兩種假設(shè)結(jié)果與實(shí)際相差很大。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及，利用 CAD/CAE輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期及圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，通過(guò)建立基本的計(jì)算機(jī)仿真分析模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度、壽命及特性預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)，有效地提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期，降低開(kāi)發(fā)成本。本文應(yīng)用UG和ANSYS軟件，按幾何結(jié)構(gòu)、材料條件對(duì)某一客車(chē)多片鋼板彈簧的工作過(guò)程進(jìn)行了分析計(jì)算，同時(shí)考慮大變形、簧片與簧片之間的接觸面因素，得到應(yīng)力響應(yīng)和變形響應(yīng)，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較誤差很小。利用CAD/CAE技術(shù)能使分析工作簡(jiǎn)化，縮短設(shè)計(jì)周期，減少開(kāi)發(fā)成本。

1 CAD/CAE分析模型建立

1.1 網(wǎng)格模型的建立

表1 Solid 45單元材料特性

圖1 有限元仿真模型

1.2 模型約束和載荷施加

對(duì)于鋼板彈簧卷耳部分約束的模擬:實(shí)際上大多數(shù)的板簧的支承方式為一端固定的卷耳，另一端采用擺動(dòng)的吊耳。所以，在板簧兩端卷耳的約束，可以看作一段是固定軸的鉸鏈約束，另一端是浮動(dòng)軸的輥軸約束。在U型螺栓的作用區(qū)域內(nèi)，可以認(rèn)為各片鋼板在此作用區(qū)域(在各片鋼板的中部) 內(nèi)被壓緊,并且沒(méi)有相對(duì)滑移。在建模時(shí)，把各片鋼板在兩個(gè)U型螺栓之間的部分節(jié)點(diǎn)通過(guò)coupling命令耦合起來(lái),以此來(lái)模擬U型螺栓區(qū)域的實(shí)際作用情況。鋼板彈簧的中部用U型騎馬螺栓將其夾緊在橋殼或橋體上，因此在板簧最下片的U型螺栓區(qū)域節(jié)點(diǎn)施加作用載荷，方向垂直向上，來(lái)模擬板簧加載工況。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 計(jì)算結(jié)果及分析

本文在進(jìn)行仿真分析過(guò)程中，將板簧主片上的中心的一點(diǎn)在Y方向上相對(duì)于載荷步的位移量為作為板簧變形量。圖2所示為板簧滿(mǎn)載時(shí)的von Mise等效應(yīng)力圖。表2為鋼板彈簧模型在不同載荷下的變形和應(yīng)力。

圖2 滿(mǎn)載時(shí)板簧von Mise等效應(yīng)力分布圖 （單位：MPa）

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，計(jì)算得到該板簧的平均剛度為94.93 N/mm，同時(shí)采用共同曲率法和集中載荷法計(jì)算了該板簧的剛度，與仿真結(jié)果比較，如表3所示。圖3是根據(jù)表2中數(shù)據(jù)在MATLAB中擬合的曲線，可以看出這些點(diǎn)線性度明顯，非線性度弱，表4為仿真結(jié)果與實(shí)踐結(jié)果的對(duì)比。從以上兩表中可以看到，應(yīng)用非線性有限元分析能夠比較精確地得到鋼板彈簧的剛度值，鋼板彈簧計(jì)算模型的精度得到了保證，比傳統(tǒng)方法精確。仿真的結(jié)果與實(shí)踐結(jié)果基本上是一致的，說(shuō)明有限元仿真模型與實(shí)際吻合。其中最大應(yīng)力誤差相對(duì)較大，是因?yàn)橹行穆菟s束造成的。誤差應(yīng)該是仿真分析中沒(méi)有考慮彈簧模型中心孔、倒角、以及夾箍、鉚釘?shù)冗B接件，及片內(nèi)的阻尼。

表2 板簧模型在不同載荷下的變形和最大應(yīng)力

圖3 等截面鋼板彈簧載荷加載與板簧變形

表3 各種計(jì)算方法得出的板簧剛度比較

表4 仿真結(jié)果與實(shí)踐結(jié)果對(duì)比

2.2 接觸面摩擦系數(shù)對(duì)模型分析的影響

定義的材料特性中摩擦系數(shù)會(huì)影響著接觸單元之間的摩擦行為，此時(shí)接觸問(wèn)題中的接觸單元將產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)的剛度矩陣，使得求解器需要更多的計(jì)算時(shí)間，過(guò)高的摩擦系數(shù)有可能導(dǎo)致無(wú)法得到收斂解。本文通過(guò)改變摩擦系數(shù)來(lái)觀察其對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，以明確摩擦在鋼板彈簧彈性行為中的作用，計(jì)算結(jié)果如表5。

表5 板簧模型在不同摩擦系數(shù)下分析的結(jié)果

從表5中結(jié)果可以看出，簧片間由于相互摩擦使板簧的變形應(yīng)力變化很小，這表明不同的摩擦系數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響極小。考慮摩擦后，求得的彈簧變形要比無(wú)摩擦?xí)r的小些，簧片的應(yīng)力分布范圍與無(wú)摩擦?xí)r一致，但應(yīng)力值要小一些，計(jì)算的剛度值也要大一些。

綜合以上分析，對(duì)原板簧有限元仿真模型進(jìn)行了剛度計(jì)算，得到鋼板彈簧的剛度值與實(shí)際值誤差很小，誤差為1.01%，考慮摩擦后，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值誤差也很小，從而驗(yàn)證了本文建立的有限元模型是可靠的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以UG和ANSYS軟件為平臺(tái)，利用有限元分析技術(shù)考慮了鋼板彈簧大變形，片間接觸摩擦等非線性因素，建立了鋼板板簧的非線性有限元模型，可以迅速的得出懸架的剛度和強(qiáng)度性能，為多片等截面鋼板彈簧的精益設(shè)計(jì)提供了參考作用，提高設(shè)計(jì)效率，降低開(kāi)發(fā)成本。

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Analysis of Mechanical Properties of Automobile Taper Leaf Springs Based on CAD/CAE

Zhu Jianbao

(Automobile Operation and Engineering Machinery Department, Fujian Communications Technology College, Fuzhou 350007, China)

A nonlinear finite element analysis (FEA) model of the optimum taper leaf spring is built using the UG and ANSYS, which deals with large deformation, interleaf friction and contact simultaneously. The performance of strength and stiffness are obtained based on non-FEM simulation analysis. It is indicated that the results can improve the design of leaf spring.

computer aided design(CAD)/computer aided engineering(CAE); leaf spring; performance analysis