基于CAD/CAE的汽车钢板弹簧力学性能分析

朱剑宝



基于CAD/CAE的汽车钢板弹簧力学性能分析

朱剑宝

福建交通职业技术学院汽车运用与工程机械系

利用CAD/CAE技术，考虑了大变形、片间接触摩擦等非线性因素，建立了某客车钢板板簧的非线性有限元模型，对板簧满载负荷时的应力、变形进行了仿真分析，得出刚度和强度性能，为多片等截面钢板弹簧的精益设计提供了参考作用。

CAD/CAE；钢板弹簧；性能分析

引言

钢板弹簧作为汽车悬架的弹性元件，因其结构简单、技术成熟，获得了广泛的应用，由于其结构的好坏对汽车的安全性、舒适性都有重要的影响，因此，在设计过程中对钢板弹簧的结构进行精确的计算对于保证汽车性能及汽车的轻量化都有重要的意义。很多工程师和学者去研究其计算方法。在载荷-挠度特性这一基本问题上，传统的办法还是套用线性板簧设计中的“共同曲率法”和“集中载荷法”进行计算，这两种假设结果与实际相差很大。

随着计算机技术的日益普及，利用 CAD/CAE辅助设计技术在产品设计初期及图纸设计阶段，通过建立基本的计算机仿真分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命及特性预测，从而指导产品设计，保证产品设计指标，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期，降低开发成本。本文应用UG和ANSYS软件，按几何结构、材料条件对某一客车多片钢板弹簧的工作过程进行了分析计算，同时考虑大变形、簧片与簧片之间的接触面因素，得到应力响应和变形响应，与实验结果比较误差很小。利用CAD/CAE技术能使分析工作简化，缩短设计周期，减少开发成本。

1 CAD/CAE分析模型建立

1.1 网格模型的建立

表1 Solid 45单元材料特性

图1 有限元仿真模型

1.2 模型约束和载荷施加

对于钢板弹簧卷耳部分约束的模拟:实际上大多数的板簧的支承方式为一端固定的卷耳，另一端采用摆动的吊耳。所以，在板簧两端卷耳的约束，可以看作一段是固定轴的铰链约束，另一端是浮动轴的辊轴约束。在U型螺栓的作用区域内，可以认为各片钢板在此作用区域(在各片钢板的中部) 内被压紧,并且没有相对滑移。在建模时，把各片钢板在两个U型螺栓之间的部分节点通过coupling命令耦合起来,以此来模拟U型螺栓区域的实际作用情况。钢板弹簧的中部用U型骑马螺栓将其夹紧在桥壳或桥体上，因此在板簧最下片的U型螺栓区域节点施加作用载荷，方向垂直向上，来模拟板簧加载工况。

2 计算结果分析

2.1 计算结果及分析

本文在进行仿真分析过程中，将板簧主片上的中心的一点在Y方向上相对于载荷步的位移量为作为板簧变形量。图2所示为板簧满载时的von Mise等效应力图。表2为钢板弹簧模型在不同载荷下的变形和应力。

图2 满载时板簧von Mise等效应力分布图 （单位：MPa）

根据表2数据，计算得到该板簧的平均刚度为94.93 N/mm，同时采用共同曲率法和集中载荷法计算了该板簧的刚度，与仿真结果比较，如表3所示。图3是根据表2中数据在MATLAB中拟合的曲线，可以看出这些点线性度明显，非线性度弱，表4为仿真结果与实践结果的对比。从以上两表中可以看到，应用非线性有限元分析能够比较精确地得到钢板弹簧的刚度值，钢板弹簧计算模型的精度得到了保证，比传统方法精确。仿真的结果与实践结果基本上是一致的，说明有限元仿真模型与实际吻合。其中最大应力误差相对较大，是因为中心螺栓约束造成的。误差应该是仿真分析中没有考虑弹簧模型中心孔、倒角、以及夹箍、铆钉等连接件，及片内的阻尼。

表2 板簧模型在不同载荷下的变形和最大应力

图3 等截面钢板弹簧载荷加载与板簧变形

表3 各种计算方法得出的板簧刚度比较

表4 仿真结果与实践结果对比

2.2 接触面摩擦系数对模型分析的影响

定义的材料特性中摩擦系数会影响着接触单元之间的摩擦行为，此时接触问题中的接触单元将产生不对称的刚度矩阵，使得求解器需要更多的计算时间，过高的摩擦系数有可能导致无法得到收敛解。本文通过改变摩擦系数来观察其对计算结果的影响，以明确摩擦在钢板弹簧弹性行为中的作用，计算结果如表5。

表5 板簧模型在不同摩擦系数下分析的结果

从表5中结果可以看出，簧片间由于相互摩擦使板簧的变形应力变化很小，这表明不同的摩擦系数对计算结果的影响极小。考虑摩擦后，求得的弹簧变形要比无摩擦时的小些，簧片的应力分布范围与无摩擦时一致，但应力值要小一些，计算的刚度值也要大一些。

综合以上分析，对原板簧有限元仿真模型进行了刚度计算，得到钢板弹簧的刚度值与实际值误差很小，误差为1.01%，考虑摩擦后，计算结果与实际值误差也很小，从而验证了本文建立的有限元模型是可靠的。

3 结语

本文以UG和ANSYS软件为平台，利用有限元分析技术考虑了钢板弹簧大变形，片间接触摩擦等非线性因素，建立了钢板板簧的非线性有限元模型，可以迅速的得出悬架的刚度和强度性能，为多片等截面钢板弹簧的精益设计提供了参考作用，提高设计效率，降低开发成本。

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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