复合材料板簧强度分析与验证

徐余平

摘 要：对复合材料板簧进行冲击、制动等工况的强度分析，以及冲击工况的台架应力测试，结果表明：应变对比误差在10%以内，仿真精度较高，该复合材料板簧满足强度性能要求，可以为进一步的结构优化、性能提升提供基础。

关键词：复合材料板簧;强度试验;应变;有限元分析

0 引言

復合材料板簧具有钢制板簧难以取代的优点：抗腐蚀性强、易加工、比强度高。应用在汽车上可以降低汽车重量，减少油耗，节约能源[1]。本文基于某非独立悬架的复合材料板簧，采用CAE仿真和台架实验双重手段，进行强度性能开发，为产品的结构优化、性能提升提供依据。

1 复合材料板簧建模

1.1 有限元模型

板簧的簧片采用ABAQUS的连续壳单元建模，单元类型为SC8R，网格尺寸为5mm，沿厚度方向划分8层单元。由于复合材料板簧采用缠绕成型的工艺方法，其纤维方向角均为0°，因此可对每层厚壳单元仅铺1层，参考厚度取5mm。前后卷耳和后吊耳采用六面体实体单元建模，单位类型使用C3D8I，网格尺寸为3mm，中间的加载盒同样采用六面体实体单元建模，网格尺寸为5mm。加载盒和板簧之间建立接触。另用Kinematic Coupling约束加载盒的上下表面，在耦合节点施加作用载荷，来模拟板簧加载工况。复合材料板簧总成的装配建模如图1所示[3]。

1.2 材料参数

复合材料的材料参数，需通过特定的材料试验获取，复合材料采用正交各向异性材料模拟[4]。

2 复合材料板簧强度分析与验证

2.1 边界条件

前卷耳固定点、后吊耳上固定点均释放Y向转动自由度。主要考查冲击工况、制动工况、起步工况、侧倾工况。

2.2 分析结果

复合材料板簧的强度性能评价标准为：提取计算结果中纤维方向应力，对比材料的拉伸强度和压缩强度，判断是否失效。图2为冲击工况强度分析云图，纤维方向最大应力为434.6MPa。

该材料的抗拉强度为1200MPa，抗压强度为850MPa。将四种工况下的应力结果汇总至表1，可以看出，在强度分析典型工况下，复合材料板簧拉伸、压缩强度安全系数均大于1.5。

取冲击强度工况进行应力测试对比：在复合材料板簧样品上贴片，共有4处;在有限元模型中选取相同位置的单元，输出对应位置应变，用于数据对比。

从表2可以看出冲击工况下的应变仿真结果和试验结果误差均在10%以下，符合预期要求。综上，该型复合材料板簧满足强度使用要求。

3 结论

复合材料板簧替代传统的钢板弹簧是底盘轻量化的趋势之一，对于企业提质增效、引领市场有积极效果。本文以复合材料板簧为研究对象，利用CAE仿真分析了板簧的强度性能，并通过台架验证，反映出该复合材料板簧满足设计要求。

参考文献：

[1]张先彬，黄昌文，汪翠琴，等.复合材料板簧在汽车轻量化发展中的应用[J].安徽科技，2019（02）：48-49.

[2]周站福，潘超，宋恩章.复合材料板簧设计与开发[J]. 汽车文摘，

2020（02）：47-50.

[3]陈德玲，郭伟，石永金，等.复合材料板簧有限元分析和试验研究[J].上海汽车，2016（09）：51-54.

[4]王甲世，李再轲，吴辉，等.汽车复合材料板簧的有限元分析及性能测试[J].汽车技术，2012（04）：55-57.