朱劍寶

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基于CAD/CAE的汽車鋼板彈簧力學(xué)性能分析

朱劍寶

福建交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車運用與工程機械系

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，建立了某客車鋼板板簧的非線性有限元模型，對板簧滿載負荷時的應(yīng)力、變形進行了仿真分析，得出剛度和強度性能，為多片等截面鋼板彈簧的精益設(shè)計提供了參考作用。

CAD/CAE；鋼板彈簧；性能分析

引言

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

隨著計算機技術(shù)的日益普及，利用 CAD/CAE輔助設(shè)計技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計初期及圖紙設(shè)計階段，通過建立基本的計算機仿真分析模型，對所設(shè)計的產(chǎn)品進行強度、壽命及特性預(yù)測，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，保證產(chǎn)品設(shè)計指標，有效地提高設(shè)計產(chǎn)品的可靠性，縮短設(shè)計周期，降低開發(fā)成本。本文應(yīng)用UG和ANSYS軟件，按幾何結(jié)構(gòu)、材料條件對某一客車多片鋼板彈簧的工作過程進行了分析計算，同時考慮大變形、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)，與實驗結(jié)果比較誤差很小。利用CAD/CAE技術(shù)能使分析工作簡化，縮短設(shè)計周期，減少開發(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

對于鋼板彈簧卷耳部分約束的模擬:實際上大多數(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，另一端是浮動軸的輥軸約束。在U型螺栓的作用區(qū)域內(nèi)，可以認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,并且沒有相對滑移。在建模時，把各片鋼板在兩個U型螺栓之間的部分節(jié)點通過coupling命令耦合起來,以此來模擬U型螺栓區(qū)域的實際作用情況。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)點施加作用載荷，方向垂直向上，來模擬板簧加載工況。

2 計算結(jié)果分析

2.1 計算結(jié)果及分析

本文在進行仿真分析過程中，將板簧主片上的中心的一點在Y方向上相對于載荷步的位移量為作為板簧變形量。圖2所示為板簧滿載時的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 滿載時板簧von Mise等效應(yīng)力分布圖 （單位：MPa）

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，計算得到該板簧的平均剛度為94.93 N/mm，同時采用共同曲率法和集中載荷法計算了該板簧的剛度，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，可以看出這些點線性度明顯，非線性度弱，表4為仿真結(jié)果與實踐結(jié)果的對比。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)果與實踐結(jié)果基本上是一致的，說明有限元仿真模型與實際吻合。其中最大應(yīng)力誤差相對較大，是因為中心螺栓約束造成的。誤差應(yīng)該是仿真分析中沒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 各種計算方法得出的板簧剛度比較

表4 仿真結(jié)果與實踐結(jié)果對比

2.2 接觸面摩擦系數(shù)對模型分析的影響

定義的材料特性中摩擦系數(shù)會影響著接觸單元之間的摩擦行為，此時接觸問題中的接觸單元將產(chǎn)生不對稱的剛度矩陣，使得求解器需要更多的計算時間，過高的摩擦系數(shù)有可能導(dǎo)致無法得到收斂解。本文通過改變摩擦系數(shù)來觀察其對計算結(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)對計算結(jié)果的影響極小?？紤]摩擦后，求得的彈簧變形要比無摩擦?xí)r的小些，簧片的應(yīng)力分布范圍與無摩擦?xí)r一致，但應(yīng)力值要小一些，計算的剛度值也要大一些。

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

3 結(jié)語

本文以UG和ANSYS軟件為平臺，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度性能，為多片等截面鋼板彈簧的精益設(shè)計提供了參考作用，提高設(shè)計效率，降低開發(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