聶成剛，白素強(qiáng)，武曉曉，劉俊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

車輛板簧支架是板簧與車架連接的關(guān)鍵部件，對(duì)板簧起支撐作用，將來(lái)自板簧方面的力傳遞給車架，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接影響車輛的行駛安全[1]。因此前期設(shè)計(jì)階段對(duì)支架的強(qiáng)度校核顯得非常重要。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，有限元分析技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)方案的前期校核中。

有限元分析是物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對(duì)真實(shí)情況的數(shù)值近似[2]。在建立虛擬模型的過(guò)程中，不可避免的要對(duì)真實(shí)結(jié)構(gòu)以及邊界等做出一定的簡(jiǎn)化，而不同的簡(jiǎn)化建模方法就會(huì)導(dǎo)致得到不同的分析結(jié)果，最終影響對(duì)結(jié)構(gòu)是否合理的評(píng)判。本文通過(guò)對(duì)板簧支架結(jié)構(gòu)不同的建模方法進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)出合理的建模方法，同時(shí)對(duì)類似結(jié)構(gòu)件的分析具有一定的指導(dǎo)意義。

1 有限元仿真建模

在早前的分析建模中，為了分析的方便快捷，很多 CAE分析人員會(huì)對(duì)板簧支架分析模型做出過(guò)多的簡(jiǎn)化，比如對(duì)板簧支架螺栓連接位置直接進(jìn)行約束，不考慮縱梁變形對(duì)支架結(jié)果的影響；再比如不考慮支架結(jié)構(gòu)與縱梁之間的接觸關(guān)系等等。過(guò)多的簡(jiǎn)化都會(huì)造成結(jié)果與實(shí)際的較大偏差。此次建模過(guò)程中，均截取板簧支架安裝位置處的一段縱梁，裝配后進(jìn)行整體分析。

1.1 網(wǎng)格劃分

圖1 網(wǎng)格模型

使用HyperMesh對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中縱梁以及內(nèi)加強(qiáng)板采用殼單元離散，平均單元10mm；板簧支架采用實(shí)體單元離散，平均單元5mm。網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2 建模簡(jiǎn)化方案

1.2.1 建模方案1

所有的螺栓包括卷耳位置處連接都采用rbe2+beam單元形式簡(jiǎn)化（如圖2和圖3所示），梁?jiǎn)卧孛嬷睆脚c實(shí)際保持一致?？v梁下翼面與板簧支架相應(yīng)平面建立接觸。

圖2 方案1模型

圖3 螺栓連接以及卷耳位置處連接形式

1.2.2 建模方案2

將支架與縱梁間的連接螺栓 （共四個(gè)）采用實(shí)體單元建模；卷耳位置處結(jié)構(gòu)也采用實(shí)體建模；其他位置處螺栓仍采用rbe2+beam單元形式簡(jiǎn)化（如圖4和圖5所示），梁?jiǎn)卧孛嬷睆脚c實(shí)際保持一致。結(jié)構(gòu)中所有的接觸平面均建立接觸關(guān)系。

圖4 方案2模型

圖5 螺栓連接以及卷耳位置處連接形式

1.3 約束與載荷邊界條件

約束：縱梁兩端進(jìn)行全約束；

表1 工況及載荷

載荷：板簧支架在懸架中的受力情況比較復(fù)雜。有豎直方向的沖擊力、車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)施加在板簧支架上的橫向沖擊力、車輛行駛方向平行的加速力及緊急制動(dòng)力（前后方向受力）[3]。根據(jù)此車型相關(guān)參數(shù)，將板簧支架及整車模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理進(jìn)行計(jì)算[4]。此板簧支架在加載點(diǎn)處按照表1中數(shù)據(jù)加載載荷；四個(gè)實(shí)體螺栓螺桿上按表2中數(shù)據(jù)施加螺栓預(yù)緊力。

表2 螺栓規(guī)格以及螺栓預(yù)緊力

1.4 材料數(shù)據(jù)

板簧支架材料為 QT500，縱梁以及內(nèi)加強(qiáng)板的材料為510L，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 材料相關(guān)參數(shù)表

2 仿真分析結(jié)果

由于工況較多，僅列出計(jì)算結(jié)果較為惡劣的右轉(zhuǎn)彎工況和垂向沖擊工況的應(yīng)力分布云圖。其它工況在后文進(jìn)行相應(yīng)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。

2.1 右轉(zhuǎn)彎工況結(jié)果

右轉(zhuǎn)彎工況下應(yīng)力分布結(jié)果（左為方案1，右為方案2）：

圖6 板簧支架應(yīng)力分布云圖

圖7 板簧支架應(yīng)力分布云圖

圖8 縱梁應(yīng)力分布云圖

2.2 垂向沖擊工況結(jié)果

垂向沖擊工況下應(yīng)力分布結(jié)果（左為方案 1，右為方案2）：

圖9 板簧支架應(yīng)力分布云圖

圖10 板簧支架應(yīng)力分布云圖

圖11 縱梁應(yīng)力分布云圖

2.3 分析結(jié)果匯總

圖12 應(yīng)力結(jié)果匯總標(biāo)示點(diǎn)位置

表4 應(yīng)力結(jié)果匯總表（MPa）

為了更直觀的對(duì)兩個(gè)方案的分析結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，選取較為典型的5個(gè)位置的點(diǎn)（分別對(duì)應(yīng)圖7-圖11應(yīng)力結(jié)果云圖中的各個(gè)標(biāo)示點(diǎn)）進(jìn)行數(shù)值統(tǒng)計(jì)。其中P1、P2、P3、P4點(diǎn)為板簧支架上的點(diǎn)，如圖12中所示。P5點(diǎn)為縱梁上的點(diǎn)，位于板簧支架與縱梁連接的最上端螺栓孔位置處。

各工況下每個(gè)位置處應(yīng)力結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表4中所示。

3 結(jié)論

兩個(gè)方案應(yīng)力分布趨勢(shì)基本一致，但應(yīng)力大小差異較大。方案1中由于采用剛性單元和梁?jiǎn)卧M合的形式進(jìn)行連接，造成局部剛度改變，影響應(yīng)力結(jié)果大小和分布。方案2中，由于采用實(shí)體螺栓建模并引入螺栓預(yù)緊力，同時(shí)較為完整考慮到結(jié)構(gòu)件之間的接觸關(guān)系，與實(shí)際結(jié)構(gòu)更為接近，分析結(jié)果更為準(zhǔn)確。

由結(jié)果可以看出：想要得到較為合理的螺栓連接區(qū)域附近的應(yīng)力結(jié)果，接觸和預(yù)緊力是建模中必須需要考慮的因素。同時(shí)，在建模中一定要考慮模型簡(jiǎn)化對(duì)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

在使用有限元法進(jìn)行類似結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度剛度等校核過(guò)程中，模型簡(jiǎn)化方法至關(guān)重要，不合理的簡(jiǎn)化可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)果與實(shí)際偏差很大。針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)件，嘗試使用不同的建模簡(jiǎn)化方法進(jìn)行對(duì)比分析，從而篩選出合理高效的建模方法，這是CAE工程師重要的工作之一。