92_汽车钢板弹簧建模与非线性有限元分析_卢晨霞

Altair 2011 HyperWorks 技术大会集 - 1 - 汽车钢板弹簧建模与非线性有限元分析 卢晨霞 王朋波 长安汽车北京研究院，北京 100081 摘要：在 HyperMesh中，建立钢板弹簧的有限元模型，并在钢板弹簧的接触面中添加接触单 元，模拟板间摩擦。计算钢板弹簧刚度，考虑中心螺栓和 U形螺栓的预紧力，分析了不同摩擦 系数对钢板弹簧迟滞特性的影响，得到了合理的计算结果。说明模型可用于研究考虑钢板之间 存在摩擦作用时钢板弹簧的受力情况，可用于探讨非线性有限元分析过程中钢板弹簧的刚度及 迟滞特性。 关键词：钢板弹簧；有限元；迟滞特性；接触分析 0 引 言 汽车钢板弹簧是汽车中广泛应用的弹性元件和重要的高负荷安全部件。钢板弹簧在实际工 作过程中会产生大变形，同时各片间存在复杂接触，这是个非线性问题，钢板弹簧的实际工作 过程是个非线性接触响应过程[1]。车辆动力学特性，必须准确计算悬架的作用力。由于钢板 弹簧叶片接触面压力及摩擦力的分布都较为复杂，增加了计算钢板弹簧悬架作用力的难度[2]。 本文利用 HyperMesh 建立钢板弹簧的有限元模型，并在钢板弹簧的接触面中添加接触单 元，模拟板间摩擦。对钢板弹簧进行仿真分析[3]，计算钢板弹簧的刚度，并研究钢板弹簧不同 的摩擦系数对钢板弹簧迟滞特性的影响[4][5]。 1 板簧结构特征 钢板弹簧由图 1 所示几部分组成[6]。 1-卷耳；2-弹簧夹；3-钢板弹簧；4-中心螺栓；5-螺栓；6-套筒；7-螺母 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 2 - 图 1 钢板弹簧 2 钢板弹簧有限元建模 设定坐标系的 x 轴沿主片两端卷耳中心点的连线方向，z 轴沿片宽方向，对板簧模型进行 网格划分，采用板壳单元模拟，如图 2 所示。 用 Rbe2 单元（rigid）和 bar2 单元模拟中心螺栓与各片板簧的连接，用 bar2 单元连接上 盖板与下面板的四个角模拟 U 型螺栓连接，如图 2（a）所示。利用 bar2 模拟钢板弹簧主片卷 耳销轴，然后用 Rbe2 单元（rigid）将中心点与吊耳的节点连接，如图 2（b）所示。 （a） U型螺栓、中心螺栓的模型 （b） 卷耳销轴的模型 图 2 有限元模型 每两层钢板间利用 4 根圆截面直径为 0.1mm 的 bar2 模拟柔性连接。用 Rbe2 单元（rigid） 将最后一层钢板螺栓孔中心点建立与下面板 dof13456 方向的连接。 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 3 - 图 3 柔性连接模拟 在钢板弹簧每相邻两层钢板间利用 contact pair 建立接触对，并设定摩擦因数为 0.2。 3 载荷与约束条件 3.1 位移约束 （1） 在卷耳固定吊耳销处建立 dof123 方向约束，如图 4 所示。 （2） 在卷耳活动吊耳销处建立 dof23 方向约束。 （3） 在中心螺栓中间某节点建立 dof13456 方向的自由度，如图 5 所示。 （4） 在钢板弹簧夹所在位置建立 dof3 方向的约束。 图 4 固定卷耳处约束 123 123 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 4 - 图 5 中心螺栓处约束 3.2 预紧力及预紧约束 利用 Contact Manager 中的 Pre_tension section 将螺栓旁的节点分别与中心螺栓和 U 型螺栓与建立连接，如图 6 所示。 图 6 预紧力、预紧约束施加位置 在中心螺栓偏移的三个节点处分别建立 dof1 的预紧力及 dof1 的位移约束。 在 U 型螺栓偏移的四个节点处分别建立 dof1 的预紧力及 dof1 的位移约束如图 7 所示。 13456 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 5 - 图 7 预紧力与预紧约束 4 分析步管理 加载分三步进行。第一步：在中心螺栓处施加预紧力，模拟中心螺栓加紧情况。第二步： 在中心螺栓施加预紧约束时，在 U 型螺栓处施加预紧力， 模拟 U 型螺栓加紧情况。第三步：在中心螺栓三个节点及 U 型螺栓四个节点处施加预紧约束， 在底板处施加 dof2 方向的力 70 sin(2 tF KN   ）。 5 分析结果 进行求解后，查看位移-载荷曲线。分别计算摩擦因数 =0，  =0.15， =0.3 时，钢板 弹簧加载和卸载过程的载荷-变形曲线，得到下盖板中心点载荷-变形曲线如图 8 所示。 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 0 10 20 30 40 50 60 70 80 变形/mm 载 荷 /K N F0 F15 F30 图 8 不同摩擦因数下的载荷-变形曲线 Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 6 - 从图 8 可以看出，不同摩擦因数下，板簧的刚度基本是线性的。相同载荷下，摩擦对钢板 弹簧变形的影响，摩擦因数越大钢板弹簧的位移也就越小，钢板弹簧的刚度也就越大。 分析摩擦因数对板簧迟滞特性的影响。摩擦因数 =0 时，加载和卸载的载荷-变形曲线重 合。摩擦因数不为 0 时，正弦力每一次循环所做的功的和并不为 0，图 8 中这些迟滞曲线包围 的面积示每次循环摩擦力消耗的功。 一定时，加载与卸载过程的载荷差值随变形增加，即 迟滞程度随载荷加大而增加。 变形相同时， 越大则加载过程与卸载过程的载荷差值也越大，这是摩擦系数对迟滞特性 的影响。 由图 8 还可以发现随着摩擦系数的变大，板簧刚度变大，位移响应变小，迟滞回线也逐渐 向位移小的方向移动。 6 结论 （1）本文采用 HyperMesh 软件对钢板弹簧分析，考虑了中心螺栓和 U 型螺栓预紧力的影响， 将钢板弹簧叶片间接触、正压力和摩擦力的分布反映在钢板弹簧的有限元分析中，得到合理的 钢板弹簧的迟滞特性分析结果。 （2）从计算结果可知采用有限元可以比较准确地分析摩擦和大变形对板簧刚度的影响。钢板弹 簧各片间的摩擦增大了钢板弹簧的刚度，钢板弹簧变形越大，板簧的刚度就要相应的减小。 （3）通过对钢板弹簧的力学分析可以发现摩擦的存在导致钢板弹簧的迟滞特性，摩擦越大，迟 滞特性也就越明显。 7 参考文献： [1] 郑银环，张仲甫.ANSYS接触分析在钢板弹簧设计中的应用[J].武汉理工大学学报，2009， 31（5）：752-754. [2] Zheng Yinhuan,Zhang Zhongpu.Application of leaf spring design on ANSYS contact analysis[J].JOURNAL OF WUHAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,2009，31（5）：752-754. [3] 王玉超，周峰.MARC有限元分析在钢板弹簧设计中的应用[J].现代制造工程，2006，12： 62-64. [4] Wang Yuchao,Zhou Yufeng.Application of laminated leaf spring design on MARC finite element analysis.MODERN MANUFACTURING ENGINEERING,2006，12：62-64. [5] 丁能根，马建军. 钢板弹簧迟滞特性的有限元分析[J].汽车工程，2003，25(1):12-14. Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集 - 7 - [6] Ding Nenggen,Ma Jianjun.Finite element analysis on the hysteresis behavior of leaf springs[J].AUTOMOTIVE ENGINEERING,2003,25(1):12-14. [7] 凌荣江,翁建生,金智林.板簧刚度及迟滞特性的非线性有限元分析[J].重庆工学院学 报,2009,23(1):19-24. [8] Ling Rongjiang,Weng Jiansheng,Jin Zhilin.Non-linear finite element analysis on stiffnes and hysteresis characteristic of leaf springs[J].JOURNAL OF CHONGQING INSTITUTE OF TECHNOLOGY,2009,23(1):19-24. [9] 徐石安.汽车构造-底盘工程[M]. 北京：清华大学出版社，2008:202-230. Modeling and non-linear finite element analysis of vehicle leaf springs Lu Chenxia，Wang Pengbo Changan Auto R&D Center,Beijing 100081 ABSTRACT:A finite element model of plate springs was created and contact elements to simulate the friction between the plates were added onto the contact surfaces with the HyperMesh software. Under the condition of making a full consideration about the preload of the center bolt and U bolt , the stiffness of the leaf springs was calculated. A reasonable result which reveals how different friction coefficient affects leaf spring hysteresis characteristics was obtained. Finally, a conclusion was drew in this paper that this model can be used to study the stress involving the friction between the steel plates and to explore the process of nonlinear finite element analysis on stiffness and hysteresis characteristics of leaf springs. KEYWORDS: leaf springs finite element hysteresis characteristics contact analysis