基于ADAMS的皮卡板簧動(dòng)力學(xué)建模方法及性能仿真

孔德琨

前言

鋼板彈簧是現(xiàn)代汽車懸架結(jié)構(gòu)中應(yīng)用很廣泛的彈性元件之一，主體是由若干金屬葉片疊加而成．其近似一根等強(qiáng)度的彈性梁，主要承受來(lái)自各個(gè)方向上的力和力矩，同時(shí)還承擔(dān)汽車在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)的扭矩。本文基于 Adams/view中的板簧工具箱，根據(jù)實(shí)際參數(shù)，建立某皮卡的鋼板彈簧動(dòng)力學(xué)模型，并初步實(shí)現(xiàn)其性能仿真。

1、Adams簡(jiǎn)介

Adams（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是由美國(guó)MDI公司開(kāi)發(fā)的一款虛擬樣機(jī)分析軟件，主要用于仿真機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)行軌跡、碰撞、峰值載荷模擬以及計(jì)算有限元的輸入載荷等等。在接近于現(xiàn)實(shí)的工作條件下逼真地模擬所有運(yùn)動(dòng)情況，并且可以快速對(duì)比分析多種設(shè)計(jì)方案，直至確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

2、ADAMS板簧建模方法

2.1 板簧建模方法

在Adams中，有著多種鋼板彈簧的建模方法，主要包括等效中性面法、三段梁法和離散單元梁法等：

等效中性面法：主要將所有的主簧片看成一整片，然后分成若干剛體，剛體之間用柔性梁連接，剛體質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量按照所有主簧片整體的實(shí)際質(zhì)量參數(shù)；副簧建模方法同樣。主、副簧片之間的接觸通過(guò)Adams中接觸函數(shù)模擬。

三段梁法：這是一種簡(jiǎn)化的鋼板彈簧模型，將鋼板彈簧看成中間剛性襯套或者球鉸連接起來(lái)，前、后梁與車架用彈性襯套或者鉸鏈副連接，并通過(guò)選擇合適的襯套參數(shù)，使之達(dá)到實(shí)際鋼板彈簧的剛度。

離散單元梁法：這是以有限元為依據(jù)的方法，將每片鋼板彈簧都離散成若干段的剛體，且在每段離散剛體之間都用單元梁連接，單元梁參數(shù)根據(jù)鋼板彈簧截面形狀與材質(zhì)得出。各片之間的接觸利用Adams中的接觸力定義。

Adams/view中的板簧工具箱的原理實(shí)際是離散單元梁法，也是將鋼板彈簧的各片分成若干塊，將各塊之間用無(wú)質(zhì)量的單元梁連接起來(lái)。

2.2 皮卡板簧建模

以國(guó)內(nèi)某皮卡的后鋼板彈簧為研究對(duì)象，板簧片數(shù)為 5片，矩形斷面結(jié)構(gòu)，板簧材料為 60CrMnBA，彈性模量為205GPa，剪切模量為 79GPa，泊松比為 0.3?？估瓘?qiáng)度為1250MPa， 摩擦因數(shù)取0.2，其它參數(shù)見(jiàn)下表1。

表1

在ADAMS 2013版本中，整個(gè)建模流程基于view模塊用戶界面。建模流程為：?jiǎn)?dòng)ADAMS/view，并選擇載入板簧工具箱：選擇菜單Tools→Plugin Manager，從插件列表中找到Leaf spring Toolkit，然后加載，在Adams/view界面上多出一個(gè)新的Leaf tool菜單。

建模步驟：首先通過(guò)菜單 Leaf Tool→OG profile Generator建立新的板簧模型，彈出圖l對(duì)話框，在此對(duì)話框中輸出板簧的幾何參數(shù)和基本尺寸，以及卷耳類型等數(shù)據(jù)。然后選擇Leaf Tool→create spring，彈出如圖2所示的對(duì)話框。在此對(duì)話框中修改自由狀態(tài)下鋼板彈簧的各個(gè)參數(shù)，包括leaf、Eye fore/aft flag、leaf forces、Pad height、Friction coefficient、Fore/Aft Clip On等等。其中：leaf包括鋼板彈簧片數(shù)、寬度實(shí)數(shù)、離散單元實(shí)數(shù)組等的設(shè)置；Eye fore/aft flag包括卷耳半徑以及形狀等的設(shè)置；leaf forces主要指板簧片之間摩擦數(shù)的設(shè)置；Pad height包括板簧片之間高度的設(shè)置：Friction coefficient主要是摩擦系數(shù)的設(shè)置：Fore/Aft Clip On包括彈簧夾的數(shù)量、基本尺寸等的設(shè)置。然后 OK，彈出Attachment create or modify對(duì)話框，如圖3所示，設(shè)置與板簧相關(guān)的 Axle（包括車軸安裝高度等）、Shackle（包括吊耳的尺寸、質(zhì)量、位置等）的參數(shù)。最終，依次對(duì)鋼板彈簧所有參數(shù)進(jìn)行修改完成，創(chuàng)建新的鋼板彈簧文件．完成皮卡鋼板彈簧模型的建立，如圖4所示。

3、板簧仿真分析

通過(guò)常用的有限元分析軟件對(duì)板簧進(jìn)行非線性分析和求解垂向剛度的方法比較復(fù)雜，且耗時(shí)比較長(zhǎng)。而基于ADAMS方法，在建好鋼板彈簧的模型之后即可快速求解鋼板彈簧的垂向剛度。將建好的鋼板彈簧模型從ADAMS/view模塊中打開(kāi)。在第一片鋼板彈簧的左右兩個(gè)外接點(diǎn)進(jìn)行固定，對(duì)板簧中心穿孔螺栓處施加1個(gè)空間力F，大小為10000×time，方向?yàn)樨Q直向上；建立中心螺栓相對(duì)與初始位置的Z方向的位移隨時(shí)間的測(cè)量曲線location_z；建立F在Z方向上的力的大小隨時(shí)間的測(cè)量值曲線vertical_Fz；運(yùn)行仿真，如圖5；然后測(cè)量Z位移和力的曲線。

打開(kāi)Start Plotting Window處理模塊，加載location_z隨時(shí)間變化的曲線，對(duì)曲線進(jìn)行處理，得到 vertical_Fz變化的曲線，命名為Force-Length曲線，即位移-載荷曲線，對(duì)其進(jìn)行求導(dǎo)，得位移-載荷曲線的斜率的曲線，即靜態(tài)剛度曲線，如圖6所示。

在圖6中，斜率曲線表示鋼板彈簧在不同平衡位置的靜態(tài)剛度，圖中斜率逐漸增大，表明鋼板彈簧靜態(tài)剛度是在逐漸增大的。由于在變形小的時(shí)候，第一、二、三片板簧相對(duì)于自由狀態(tài)處于向上彎曲狀態(tài)，四、五處于平直狀態(tài)，隨著變形的逐漸增大，所有鋼板都處于向下彎曲，剛度相比之前會(huì)增加，因此靜態(tài)剛度是逐漸增大的。根據(jù)載荷位置曲線可以計(jì)算板簧的變形量及相應(yīng)的載荷大小，所以通過(guò)仿真結(jié)果，能比較清楚了解鋼板彈簧的特性情況。

這樣在樣品試制出來(lái)以前，就可較準(zhǔn)確地模擬板簧特性的臺(tái)架試驗(yàn)，在設(shè)計(jì)階段就可預(yù)測(cè)其力學(xué)性能，方便地進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

4、總結(jié)

在ADAMS虛擬樣機(jī)環(huán)境下，利用ADAMS/view中的板簧工具箱，建立某皮卡后鋼板彈簧三維實(shí)體模型進(jìn)行性能仿真，可以清楚地了解鋼板彈簧的特性情況，驗(yàn)證鋼板彈簧動(dòng)力學(xué)模型的正確性，比采取有限元求解鋼板彈簧的剛度曲線的方法更簡(jiǎn)單、更快捷。同時(shí)，對(duì)整車性能的仿真提供了很大的幫助，為整車懸架性能的研究提供基礎(chǔ)。

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