[某车钢板弹簧刚度分析]钢板弹簧刚度
时间：2020-03-03 07:29:55 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：应用CAE分析技术，分析某车后钢板弹簧的刚度。采用HyperMesh和abaqus软件，分别用C3D4、C3D8、C3D20及S4四种单元结构对板簧进行静力学分析。对比分析四种结构形式的差异，为后续板簧分析提供参考。
关键词：钢板弹簧；HyperMesh；刚度；强度；静应力
中图分类号：U463.33+4 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）06-0056-03
The CAE Analysis for Leaf Spring of a Vehicle
LU Zhi-cheng，XIA Tang-zhong，WANG Ping-ping，LIU Wen-hua，LIU Pan，YUAN Zhi
（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD，Technology Center Vehicle Department，Wuhan 430056，China）
Abstract: The aim of this paper is to analyze Leaf spring’stiffness using HyperMesh and abaqus software.And it’s carried out statics analysis in four element structures，such as C3D4，C3D8，C3D20 and S4，and comparied it. According to this analysis，we can see the difference about these four element structures，it can provides referrence to Leaf spring analysis.
Key words: Leaf spring；Hypermesh；stiffness；strengthness；stress
1 钢板弹簧几何模型建立
钢板弹簧自由状态主簧的长度1 000 mm，通过惯性矩及各板片厚度，利用作图法（见图1），求出各板片长度。作图法是基于实际钢板弹簧各叶片的展开图接近梯形梁这一原则来确定各片长度。先将各叶片厚度的立方值按同一比例尺沿纵坐标绘出，再沿横坐标给出主簧长度和副簧长度之半，展开图，AB线与各叶片上侧边的交点即决定了各片长度。
由于各板厚度相等，各板片相差=67，各板片有效长度为：l1=500，l2=430，l3=360，l4=300。根据该数据建立钢板弹簧完全自由状态的模型如图2所示。
2 单元类型选择
对某一片钢板弹簧分别采用四面体、8节点六面体、20节点六面体及壳进行离散分析，比较其差异。结果见图3、表1。
四种单元类型中，四面体最刚硬，20节点六面体单元与壳变形量相同，为了能更好的模拟钢板弹簧，后续钢板弹簧将采用20节点六面体单元进行离散分析。
3 六面体单元厚度方向单元数选择
对某片钢板弹簧采用20节点六面体单元进行离散，厚度方向上分别采用两层、三层、四层和五层进行离散分析，比较其差异。结果如图4、表2所示。
上述结果表明，随着层数的增加，变形、应力及运算时间逐渐增加。
（1）变形差别不大，厚度方向分布四层单元与五层单元变形相同；
（2）二层单元与三层单元的应力相差较大，三层、四层与五层的应力变化比较少，但是随着层数的增加，运算时间增加比较大。
在保证模型精度的情况下，尽量缩减计算规模，钢板弹簧厚度方向采用三层单元进行离散分析。
4 钢板弹簧有限元模型的建立
4.1 网格划分与单元类型选取
HyperMesh中用Solidmap方法将钢板弹簧划分为20节点六面体单元，有限元单元尺寸为5 mm，最后钢板弹簧离散为87 888个单元，用1D中的CONN3D2单元将每片板簧连接起来，有限元模型见图5，钢板弹簧材料为60Si2Mn，其参数如表3所示。
4.2 边界条件建立
建立的钢板弹簧的有限元模型是自由状态下的，所以分析时要分两步，第一步将各片压紧相当于将钢板弹簧装配好；第二步在弹簧中间与轮毂连接的轴心处加9 000 N的载荷。有限元加载模型如图6所示。
5 计算结果与分析
从图7可知，加载9 000 N后的应力为1 246 MPa，应力值小于许用应力，卸载后的应力为1 251 MPa。
由图8所示曲线可知，钢板弹簧装配紧的变形为20 mm，加载9 000 N后的变形为156 mm，钢板弹簧的刚度在只有主簧工作时为42.5 N/mm 左右，当副簧开始工作时刚度有一个显著的增加，副簧完全工作时刚度稳定在一个较大的数值上，此时的刚度值为71 N/mm。
6 总结
本文对四面体、8节点六面体、20节点六面体及壳这四种单元形式进行了分析比较，另外比较分析了实体在厚度方向不同层数的应力与变形的差异，通过该分析，从而确定采用20节点六面体，在厚度上分三层的形式对钢板弹簧进行离散分析，计算板簧的刚度。
参考文献：
［1］ Altair Engineering Inc.HyperWorks User’s manual. 2010.
［2］ 彭莫.渐变刚度钢板弹簧的计算方法［J］. 汽车工程，1993，6.
［3］ 王霄锋.汽车底盘设计［M］.北京：清华大学出版社，2010.
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