鋼板彈簧輕量化有限元分析

王寧 李光 李敏

摘要：本文通過(guò)鋼板彈簧的仿真模型、分析和應(yīng)用板簧，不斷減輕汽車(chē)的鋼板彈簧重量，同時(shí)滿足相同的載荷要求，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件（CREO）、有限元分析軟件（hyperworks）等新興技術(shù)降低輕量化的鋼板彈簧。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧;輕量化;HyperWorks

汽車(chē)輕量化是汽車(chē)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)最關(guān)鍵的步驟，對(duì)汽車(chē)各個(gè)方面的輕量化需求越來(lái)越高，對(duì)汽車(chē)鋼板彈簧的輕量化研究設(shè)計(jì)是現(xiàn)在汽車(chē)輕量化需求的重要部分，在設(shè)計(jì)合理的情況下減少鋼板彈簧的重量，再不影響鋼板彈簧的正常使用，也不影響車(chē)輛正常行駛的穩(wěn)定性時(shí)，還可以對(duì)整車(chē)達(dá)到輕量化效果。

如果可以對(duì)車(chē)輛的鋼板彈簧達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)要求，不但可以大大降低車(chē)輛的生產(chǎn)成本，節(jié)省材料，提高材料利用率，還可以減少油耗，減少有害尾氣的排放。

1鋼板彈簧建模

對(duì)汽車(chē)的鋼板彈簧進(jìn)行具體使用操作分析，對(duì)輕量化之前的鋼板彈簧進(jìn)行有限元分析。

（1）鋼板彈簧抽中面

本小節(jié)對(duì)輕量化之前的鋼板彈簧做仿真分析，鋼板彈簧是七片鋼板疊加組成，所以利用HyperWorks軟件先對(duì)其進(jìn)行抽中面操作，之后在此基礎(chǔ)上建立2D網(wǎng)格，建好的平面模型如圖1鋼板彈簧平面模型圖所示。

（2）建立鋼板彈簧網(wǎng)格

本小節(jié)對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行建立2D網(wǎng)格操作，以5mm為網(wǎng)格大小基礎(chǔ)，作出2D網(wǎng)格，在此過(guò)程中查找網(wǎng)格是否存在破損現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，留下完整且完好的平面模型，優(yōu)化完的網(wǎng)格如圖2鋼板彈簧網(wǎng)格所示。

（3）鋼板彈簧施加接觸

1）本小節(jié)第一部分先給鋼板彈簧定義一種材料，本文選擇的鋼板彈簧材料是55CrMnA，該材料的彈性模量E：210000Pa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度950MPa，抗拉強(qiáng)度極限1225MPa[1]。材料的一些基本數(shù)據(jù)如下圖1.3材料基本參數(shù)所示。

2）鋼板彈簧賦予板與板之間接觸，如圖1.4鋼板彈簧接觸所示。

3）賦予鋼板彈簧上接觸

此部分開(kāi)始建立鋼板彈簧的接觸，如圖5鋼板彈簧上接觸所示。建立上箭頭即為鋼板彈簧每片鋼板上表面和與之接觸的鋼板的下表面之間的接觸。

4）賦予鋼板彈簧下接觸

此部分建立鋼板彈簧下接觸選用不同顏色的三角塊，用以區(qū)分。如圖6鋼板彈簧下接觸所示。

5）鋼板彈簧的上下接觸建立完成

如圖7鋼板彈簧接觸完成所示，鋼板彈簧接觸建立完成。使用HyperWorks測(cè)量出每?jī)善寤芍g的距離為11mm，距離添加到15mm，如圖8接觸距離所示。這樣可以保證鋼每?jī)善寤缮舷旅嫱耆佑|到，使仿真結(jié)果更加真實(shí)有效。

2鋼板彈簧施加約束

（1）本小節(jié)對(duì)鋼板彈簧施加約束，當(dāng)車(chē)輛在正常行駛中，鋼板彈簧底部與車(chē)橋之間是連接在一起的，此時(shí)鋼板彈簧底部與車(chē)橋之間在任何工況中應(yīng)該都是沒(méi)有相互運(yùn)動(dòng)的[2]，此處需建立約束。在HyperWorks軟件中選取車(chē)橋兩邊上的點(diǎn)，用F4測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的距離車(chē)橋?qū)挾葹?35mm。如圖9車(chē)橋?qū)挾人尽?/p>

（2）在鋼板彈簧模型底部中間位置選取135mm的距離，此距離就為車(chē)橋的寬度，如圖10建立車(chē)橋所需寬度所示，做一個(gè)模擬車(chē)橋仿真車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中的正常行駛情況。

（3）如圖11.建立車(chē)橋所示。此鋼塊車(chē)橋共做4層，高度為20mm。

結(jié)論：

有限元作用的最基本的原理就是作用力與反作用力，施加約束的位置就是鋼板彈簧受力支點(diǎn)處[3]。此處共有兩種方法，一種方法是在車(chē)橋上施加約束，在鋼板彈簧的卷耳處施加力。另一種方法是在車(chē)橋上施加力，在鋼板彈簧的卷耳處施加約束。這兩種方法的作用結(jié)果是一樣的，因?yàn)樽饔昧εc反作用力是一樣的。本小節(jié)此處選用第一種約束方法，在車(chē)橋處施加六處約束，1、2、3分別代表X、Y、Z的平動(dòng)，4、5、6分別代表X、Y、Z的轉(zhuǎn)動(dòng)。約束的施加即保證車(chē)橋與鋼板彈簧之間不會(huì)隨意轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖12施加約束所示。

參考文獻(xiàn)：

[1] 關(guān)文達(dá)，吳明，張凱良等《汽車(chē)構(gòu)造》北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2016.02

[2] 沈沉《汽車(chē)構(gòu)造 底盤(pán)部分》北京：人民郵電出版社 ， 2009.09

[3] 李曉《汽車(chē)底盤(pán)構(gòu)造與維修》北京：人民郵電出版社，2010.04