113_某车钢板弹簧的刚度分析_陆志成

Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 -1- 某车钢板弹簧刚度分析 陆志成 夏汤忠 王萍萍 刘文华 刘盼 袁志 （神龙汽车有限公司技术中心整车部 武汉 430056） 摘 要：本文应用CAE分析技术，分析某车后钢板弹簧的刚度。采用HyperMesh进行前处理， 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 1 钢板弹簧几何模型建立 钢板弹簧自由状态主簧的长度 1000mm，通过惯性矩及各板片厚度，利用作图法（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。 图 1 确定板片长度的作图法 由于各板厚度相等，各板片相差 3 nm ll − =67,各板片有效长度之半： 1l =500， 2l =430， 3l =360， 4l =300。根据该数据建立钢板弹簧完全自由状态的模型如下图所示（图 2）。 图 2 2 单元类型选择 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 -2- 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。结果如下图所示（图 3）。 图 3 变形云图 单元类型 四面体单元 8节点六面体单元 20节点六面体单元 壳单元 变形/mm 0.7556 2.442 3.526 3.526 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。结果如下图所示（图 4）。 图 4 层数 2 3 4 5 变形/mm 3.524 3.626 3.527 3.527 应力/MPa 53.18 71.66 80.72 86.4 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。 四面体单元 8节点六面体单元 20节点六面体单元 壳单元 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 -3- a 变形变化不明显，四层与五层变形相同； b 二层与三层的应力相差较大，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 将钢板弹簧划分为 20 节点六面体单元，有限元单元尺寸 为 5mm，最后钢板弹簧离散为 87888个单元，用 1D中的 CONN3D2 单元将每片板簧连接起 来，有限元模型如下图所示（图 5），钢板弹簧材料为 60Si2Mn，其参数如下表所示。 图 5 材料 强度极限（MPa） 弹性模量（MPa） 泊松比 60Si2Mn 1275 206000 0.3 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 9000N的载荷。有限元加 载模型如下图所示（图 6） 图 6 载荷： F=9000N 约束： 板簧前端：SPC（ U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0） 板簧后端：SPC（ U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0） 与轴连接处：SPC（U2 =UR1= UR3=0） 每片板簧之间：通用接触 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 -4- 5 计算结果与分析 装配时产生的预应力云图 9000Ｎ时的应力云图 卸载后的应力云图 图 7 从上述云图可知（图 7），加载 9000N后的应力为 1246MPa，应力值小于许用应力，卸载 后的应力为 1251MPa。 力与位移曲线 力与刚度曲线 图 8 上图所示曲线可知，钢板弹簧装配紧的变形为 20mm，加载 9000N后的变形为 156mm， 钢板弹簧的刚度在只有主簧工作时为 42.5N/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 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，采用 HyperMesh对板簧进行前处理， 计算板簧的刚度。 7 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 [3] 王霄锋.汽车底盘设计.清华大学出版社.2010 Altair 2011 HyperWorks技术大会论文集 -5- 某车钢板弹簧刚度分析 Lu Zhicheng XiaTangzhong Wang Pingping Liu Wenhua Liu Pan Yuan Zhi Abstract: In this paper CAE analysis technology is used to analysis stiffness of leaf spring. Take HyperMesh as preprocess and static analysis is conducted with C3D4,C3D8,C3D20 and S4. And a comparison is conducted for these four element types. This paper can be a reference for other analysises of leaf spring. Key words: HyperMesh leaf spring stiffness static stress strength