基于radioss鋼板彈簧異常變形原因分析

朱慶曉 陳運廣

（東風柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

0 前言

汽車鋼板彈簧是汽車中廣泛應用的彈性元件和重要的高負荷安全部件。鋼板彈簧在實際工作過程中會產(chǎn)生大變形，同時各片間存在復雜接觸，這是個非線性問題，鋼板彈簧的實際工作過程是個非線性接觸響應過程[1]，存在幾何非線性和邊界非線性[2]。商用車懸架的設計，必須算好板簧的承載能力，保證鋼板彈簧在滿載工況下剩余弧高不為零，滿足客戶的需求。

本文利用catia 建立鋼板彈簧的三維模型，導入hypermesh 建立有限元模型，并在鋼板彈簧的接觸面中添加接觸單元，對鋼板彈簧進行仿真分析[3]，計算鋼板彈簧的剛度，并研究在一定載荷下梯形結(jié)構(gòu)對鋼板彈簧的變形的影響。

1 幾何模型的建立

鋼板彈簧自由狀態(tài)下主簧的長度為作用1450mm，伸直長度1600mm，自由狀態(tài)下作用弧高60mm。采用catia 建立自由狀態(tài)下鋼板彈簧模型和橋滑板座三維裝配模型，保證板簧各片的間隙為0，如果出現(xiàn)三維模型里面片與片之間出現(xiàn)干涉的話，接觸算法會存在問題。

2 鋼板彈簧有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分與材料屬性的賦予

將裝配好的三維模型導入hypermeh 進行網(wǎng)格劃分。鋼板彈簧采用先劃分側(cè)面，然后使用3D 模塊里面的drag 命令進行拉伸，得到的六面體網(wǎng)格較為均勻。均勻的網(wǎng)格對鋼板彈簧計算結(jié)果的應力分布影響比較大，網(wǎng)格質(zhì)量較差的話，容易在根部的應力云圖上出現(xiàn)斑點，同一截面應力也會出現(xiàn)不均勻等現(xiàn)象。鋼板彈簧厚度方向采用5 層網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格層數(shù)對鋼板彈簧cae 的影響有[4]：

（1）隨著層數(shù)的增加，變形、應力及運算時間逐漸增加，對cpu、內(nèi)存的要求、運算時間、成本也隨著增加；

（2）對鋼板彈簧整體變形變化影響不明顯，四層網(wǎng)格與五層網(wǎng)格變形基本相同；

（3）二層網(wǎng)格與三層網(wǎng)格的應力相差較大，三層、四層與五層的應力變化比較少；

在保證模型精度的前提下，應盡量縮短計算規(guī)模，減少計算成本，鋼板彈簧厚度方向采用3 層網(wǎng)格進行劃分

由于本文不分析滑板座的受力，因此滑板座網(wǎng)格簡單采用tetramesh 里面的Volme tetra 進行自動網(wǎng)格劃分，整個有限元模型見下圖所示。鋼板彈簧的材料為50CrVA，材料卡片為MAT1，采用3D 屬性，并將材料以及屬性賦予模型。材料其參數(shù)如表1 所示：

表1

2.2 邊界條件的建立

模型約束分兩步進行。第一步：建立鋼板彈簧的約束條件。catia建立的鋼板彈簧的有限元模型是自由弧高狀態(tài)下的，本文不考慮預緊力的影響。U 型螺栓夾緊距為126，因此限制此范圍內(nèi)鋼板彈簧第一片下表面、最后一篇上表面dof1、dof2、dof3、dof4、dof5、dof6 的6 個方向自由度。同時，為防止在分析過程中出現(xiàn)中間彈簧片受擠壓往x、y方向出現(xiàn)位移，影響計算結(jié)果，約束U 型螺栓加緊范圍內(nèi)鋼板彈簧側(cè)表面dof1、dof2 兩個方向自由度。

第二部：約束滑板座運動軌跡?；遄谕屏U的約束下運動軌跡接近于在z 方向做垂直運動，這里為簡化模型，約束滑板座dof1、dof2、dof4、dof5、dof65 個方向自由度，模擬鋼板彈簧承載時滑板座施加在鋼板彈簧上的運動約束，加載模型如下圖所示。

商用車載實際使用過程中，滿載工況下剩余弧高一般為10mm 左右。本文分析的鋼板彈簧屬于多片簧，使用片段載荷法[4]對鋼板彈簧剛度進行計算，算出鋼板彈簧剛度，并進一步計算出分析用載荷P。分別將p/2 施加在滑板座上。

2.3 接觸設置

在進行接觸設置之前，模型中是不允許出現(xiàn)初始穿透出現(xiàn)的，相鄰鋼板彈簧片表面之間出現(xiàn)初始穿透會出現(xiàn)過高的穿透接觸，過高的穿透接觸會以下結(jié)果：a.過高的罰力；b.后處理的過程中，出現(xiàn)過大的基礎截面力，導致分析結(jié)果嚴重失真。接觸類型設置為通用接觸類型TYPE7，以沒相鄰兩片鋼板彈簧為一個接觸對，分別將兩個接觸面設置為master 和slave 進行接觸。為提高計算精度，相鄰兩片鋼板彈簧的master 和slave 對調(diào)再次進行接觸設置。

2.4 迭代計算

鋼板彈簧屬于彈性元件，變形過程中較大，存在幾何非線性和邊界非線性問題，radioss 默認迭代次數(shù)為10，往往在計算過程中結(jié)果出現(xiàn)離散現(xiàn)象，不能得到一個很好的收斂結(jié)果。經(jīng)過反復驗證，在迭代次數(shù)為20 此左右得到的結(jié)果精度較高，與實際比較符合。

3 計算結(jié)果與分析

將有限元模型提交radioss 求解器進行計算，此模型計算時間較長，約5 個小時左右，不存在收斂性問題。

從上述應力云圖可以看出，第13 片鋼板彈簧根部應力最大，最大應力為xxxMpa，明顯高于主簧根部應力，與實際使用過程中的故障模式比較吻合。

從上述鋼板彈簧的變形可以看出，鋼板彈簧的垂直方向上的剛度為xx，與共同曲率法計算結(jié)果和實際鋼板彈簧剛度測試結(jié)果基本相差較小，基本吻合。在該加載力的作用下，鋼板彈簧變形量為60mm，剩余弧高9mm，但在根部出現(xiàn)明顯的反弓現(xiàn)象，整個鋼板彈簧弧長呈一定波浪形狀態(tài)。該現(xiàn)象為鋼板彈簧異常變形現(xiàn)象。

4 結(jié)論

理論上鋼板彈簧理想狀態(tài)為變形過程中始終保持圓弧狀，應力接近于等應力分布。波浪形變形容易導致根部應力異常變大，出現(xiàn)疲勞、過載斷裂，在一定程度上影響鋼板彈簧的壽命。同時，在貨車上，鋼板彈簧端部被輪胎遮擋，用戶只能觀察到鋼板彈簧根部變形，鋼板彈簧的異常變形會使用戶認為鋼板彈簧的承載能力不足，降低客戶對產(chǎn)品的認可程度。

利用作圖法設計鋼板彈簧各片長度，保證鋼板彈簧負荷梯形結(jié)構(gòu)，不隨意的改變鋼板彈簧片長來達到設計需求剛度剛度，并使用radioss 對鋼板彈簧的應力、變形進行分析，并輔助加載試驗，能夠很好的避免鋼板彈簧出現(xiàn)異常變形，提高鋼板彈簧的壽命。

［1］鄭銀環(huán)，張仲甫.ANSYS 接觸分析在鋼板彈簧設計中的應用[J].武漢理工大學學報，2009，31（5）：752-754.

［2］王霄鋒.汽車底盤設計[M].清華大學出版社.2010.

［3］王玉超，周峰.MARC 有限元分析在鋼板彈簧設計中的應用[J].現(xiàn)代制造工程，2006，12：62-64.

［4］陸志成，夏湯忠，王萍萍，劉文華，劉盼，袁志.某車鋼板彈簧剛度分析[CJ//].Altair 2011 HyperWorks 技術(shù)大會論文集.