鋼板彈簧懸架的模擬

范永君　潘景宇

摘要：為了更好地分析了解重載汽車鋼板彈簧懸架受力后的形變及應(yīng)力分析。文章先通過分析傳統(tǒng)分析方法的不足之處，然后在傳統(tǒng)方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上說明了現(xiàn)代有限元分析方法更符合實(shí)際狀況，得到了鋼板彈簧總成加載一定的載荷后的應(yīng)力分布和彈簧變形情況的精確結(jié)果。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧；懸架；解析法；有限元分析法

中圖分類號(hào)：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）27-0033-02

在重載汽車上，鋼板彈簧作為汽車懸架的彈性元件，是汽車容易損壞的元件，其好壞決定了汽車的各種性能。鋼板彈簧在整車上不光是彈性元件，它還在工作時(shí)傳遞除垂直方向外其他方向的力和力矩，并在傳遞這些力或力矩的同時(shí)起到導(dǎo)向作用。而且當(dāng)彈簧振動(dòng)時(shí)兩板片之間的接觸、摩擦還可以充當(dāng)一定的阻尼器件，起到阻尼作用。盡管鋼板彈簧在工作時(shí)負(fù)荷高，易損壞，但鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維修快捷方便，所以作為重型汽車的懸架被廣泛使用。雖然自然狀態(tài)下的鋼板彈簧幾何形狀簡(jiǎn)單，但是在其受到載荷時(shí)卻會(huì)有大變形（幾何非線性）、且板片間的接觸（狀態(tài)非線性）等多種非線性因素是非常復(fù)雜且這些因素在應(yīng)力分析是難以處理的。

1 解析法

傳統(tǒng)的鋼板彈簧分析是把它簡(jiǎn)化為懸臂梁，運(yùn)用材料力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算分析。而實(shí)際工作狀態(tài)下的鋼板彈簧受力變形很復(fù)雜，因?yàn)榧扔写笞冃斡钟邪迤g摩擦非線性因素的影響。所以，利用解析法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行力學(xué)分析，必須將它簡(jiǎn)化為具有理想的線性變形和無摩擦的力學(xué)模型。這樣就必須是假設(shè)在一定的條件下，才能建立起鋼板彈簧力學(xué)模型，且這樣的模型是過于簡(jiǎn)單的。當(dāng)鋼板彈簧所受為垂向載荷時(shí)，實(shí)際中通常采用下面的方法進(jìn)行計(jì)算分析：

1.1 共同曲率法

該方法是前蘇聯(lián)的帕爾希洛夫斯基提出的，通常我們又稱它為展開法，它假定在彈簧變形時(shí)各板片一旦接觸便不會(huì)再分離，所以不再會(huì)有在一起的各片有共同的曲率。而且，假定各簧片上的彎矩也是連續(xù)分布的。在這兩個(gè)假定的基礎(chǔ)上建立模型進(jìn)行計(jì)算分析可得出各個(gè)簧片的應(yīng)力變形。很明顯，這一方法對(duì)彈簧進(jìn)行力學(xué)分析的時(shí)候，忽略到了板片之間的摩擦，所以該方法的結(jié)算結(jié)果與實(shí)際值存在一定的誤差。

1.2 集中載荷法

這一方法是假定鋼板彈簧只在板端有力的傳遞，而且同樣假設(shè)在外載荷作用下板簧接觸部分一旦接觸后不再分開。這里也忽略板片之間的摩擦作用。該計(jì)算方法也是把鋼板彈簧簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算分析中由于汽車上用的鋼板彈簧有對(duì)稱性，且裝配時(shí)固定條件也是對(duì)稱的，所以可以建立一半的模型進(jìn)行計(jì)算。

可以看出這兩個(gè)方法都必須在假定一定條件成立的基礎(chǔ)上，在不同程度和角度上對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但是，這兩種方法都忽略了鋼板彈簧在實(shí)際工作狀態(tài)下的復(fù)雜因素，如較大變形、摩擦和阻尼等。所以導(dǎo)致這兩種方法分析計(jì)算的結(jié)果都存在著不同程度的誤差。因此，對(duì)于鋼板彈簧實(shí)際存在的這種大變形、接觸等非線性狀態(tài)，我們采取有限元法來對(duì)鋼板彈簧的裝配預(yù)應(yīng)、剛度等進(jìn)行分析。

2 有限元法

有限元法是把無限自由度的連續(xù)體離散化，從而變?yōu)橛邢迋€(gè)單元節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析的方法。它的特點(diǎn)是不需作任何假設(shè)，便可模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的連續(xù)體。盡管這一方法的分析結(jié)果也是不能夠完全沒有誤差，但是可以通過選擇適當(dāng)?shù)膯卧w的形狀與數(shù)量，這樣便使得分析結(jié)果達(dá)到要求的精度。有限元分析法可以建立復(fù)雜的幾何形狀或邊界條件、復(fù)雜的材料的模型。所以比較而言用有限元法計(jì)算鋼板彈簧的應(yīng)力問題，理論上更嚴(yán)密、模型更準(zhǔn)確，這樣分析結(jié)果精度更高。

2.1 鋼板彈簧的有限元建模

用ANSYS12.0建立實(shí)體模型，建模時(shí)需要注意的是，由于鋼板彈簧在裝配前就具有一定曲率半徑，是弧形而非平直的，所以要根據(jù)實(shí)際物體尺寸參數(shù)建立其三維幾何模型，本文對(duì)簡(jiǎn)化型（不帶卷耳）的鋼板彈簧進(jìn)行分析，并且建模時(shí)忽略其中間的螺栓孔，三片鋼板彈簧選擇為同曲率。因?yàn)橹剌d汽車鋼板彈簧是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且在裝配過程中受載荷和約束都是對(duì)稱的，這里便可以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，所以建立鋼板彈簧的1/4模型。

2.2 定義接觸對(duì)

本次采用面-面接觸單元來模擬板簧之間的接觸，根據(jù)實(shí)際情況分別選擇合適的類型來描述接觸對(duì)的目標(biāo)面單元和接觸面單元。在指定接觸面和目標(biāo)面時(shí)，應(yīng)該特別注意的是接觸單元應(yīng)被控制不得穿透目標(biāo)面。鋼與鋼之間有潤(rùn)滑接觸摩擦?xí)r，其靜摩擦系數(shù)選擇為0.1～0.12，所以本次分析各簧片之間的摩擦系數(shù)為0.1。通過Gul命令mainmenu——preproeessor——realconstant——Add——CONTA173即可對(duì)實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義。通過GUI命令mainmenu——preproeesso，——Elementtype——Add——TARGE170——options即設(shè)置關(guān)鍵字。

通過接觸向?qū)?，將整個(gè)三片鋼板彈簧總成定義2個(gè)接觸對(duì)，每個(gè)接觸對(duì)有一個(gè)目標(biāo)面和一個(gè)接觸面。

2.3 模型約束及模型的加載

因?yàn)樗Ｐ蜑?/4模型，對(duì)稱面上的約束都相同，分析中控制三片鋼板彈簧中心截面每片彈簧截面的X、Y和Z方向的位移，且要模擬中心螺栓擰緊狀態(tài)下及鋼板彈簧的裝配中的應(yīng)力問題。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

由上述加載后應(yīng)力學(xué)分析模型圖上的應(yīng)力分布，可直觀得出鋼板彈簧各部分應(yīng)力大小分布情況，這為應(yīng)力分析及產(chǎn)品優(yōu)化提供了依據(jù)。且從上圖可得出：加載后所受應(yīng)力最大處是第一片鋼板彈簧的端部。由于對(duì)模型的簡(jiǎn)化較多，使得這次得出的分析結(jié)果在一定程度上會(huì)有偏差。所以，以后需深入研究建立更準(zhǔn)確模型來進(jìn)行模擬分析。

3 結(jié)語

鋼板彈簧板片之間的接觸情況是非常復(fù)雜的，且載荷變化，各片之間的接觸情況亦隨之變化。在研究分析鋼板簧力學(xué)特性時(shí)，板片間的接觸摩擦對(duì)其結(jié)果的影響不容忽視。在考慮片間接觸及其幾何非線性的情況下，利用ANSYS有限元軟件，對(duì)某三片等截面鋼板彈簧模型其滿載狀況加載下的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析。需要注意的是，當(dāng)表面接觸應(yīng)力較大時(shí)葉片的磨損會(huì)加速，并產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致鋼板彈簧疲勞損壞。

參考文獻(xiàn)

[1] 周繼銘.鋼板彈簧非線性模型的概述和分析[J].錦州工學(xué)院報(bào)，1991，10（2）.

[2] 黃向東.汽車懸架系統(tǒng)的有限元分析法及其應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程，1994，（5）.

[3] 鄭銀環(huán)，張仲甫.鋼板彈簧的非線性接觸分析及試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)報(bào)，2008，30（8）.

[4] 丁能根，馬建軍.鋼板彈簧遲滯特性的有限元分析

[J].汽車工程，2003，25（1）.

[5] 王玉超，周鋒.Marc有限元分析在鋼板彈簧設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代工程，2006，（12）.

作者簡(jiǎn)介：范永君（1990-），女，山東聊城人，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，研究方向：車輛NVH研究；潘景宇（1991-），男，山東聊城人，西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生，研究方向：航空電氣工程。

摘要：為了更好地分析了解重載汽車鋼板彈簧懸架受力后的形變及應(yīng)力分析。文章先通過分析傳統(tǒng)分析方法的不足之處，然后在傳統(tǒng)方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上說明了現(xiàn)代有限元分析方法更符合實(shí)際狀況，得到了鋼板彈簧總成加載一定的載荷后的應(yīng)力分布和彈簧變形情況的精確結(jié)果。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧；懸架；解析法；有限元分析法

中圖分類號(hào)：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）27-0033-02

在重載汽車上，鋼板彈簧作為汽車懸架的彈性元件，是汽車容易損壞的元件，其好壞決定了汽車的各種性能。鋼板彈簧在整車上不光是彈性元件，它還在工作時(shí)傳遞除垂直方向外其他方向的力和力矩，并在傳遞這些力或力矩的同時(shí)起到導(dǎo)向作用。而且當(dāng)彈簧振動(dòng)時(shí)兩板片之間的接觸、摩擦還可以充當(dāng)一定的阻尼器件，起到阻尼作用。盡管鋼板彈簧在工作時(shí)負(fù)荷高，易損壞，但鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維修快捷方便，所以作為重型汽車的懸架被廣泛使用。雖然自然狀態(tài)下的鋼板彈簧幾何形狀簡(jiǎn)單，但是在其受到載荷時(shí)卻會(huì)有大變形（幾何非線性）、且板片間的接觸（狀態(tài)非線性）等多種非線性因素是非常復(fù)雜且這些因素在應(yīng)力分析是難以處理的。

1 解析法

傳統(tǒng)的鋼板彈簧分析是把它簡(jiǎn)化為懸臂梁，運(yùn)用材料力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算分析。而實(shí)際工作狀態(tài)下的鋼板彈簧受力變形很復(fù)雜，因?yàn)榧扔写笞冃斡钟邪迤g摩擦非線性因素的影響。所以，利用解析法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行力學(xué)分析，必須將它簡(jiǎn)化為具有理想的線性變形和無摩擦的力學(xué)模型。這樣就必須是假設(shè)在一定的條件下，才能建立起鋼板彈簧力學(xué)模型，且這樣的模型是過于簡(jiǎn)單的。當(dāng)鋼板彈簧所受為垂向載荷時(shí)，實(shí)際中通常采用下面的方法進(jìn)行計(jì)算分析：

1.1 共同曲率法

該方法是前蘇聯(lián)的帕爾希洛夫斯基提出的，通常我們又稱它為展開法，它假定在彈簧變形時(shí)各板片一旦接觸便不會(huì)再分離，所以不再會(huì)有在一起的各片有共同的曲率。而且，假定各簧片上的彎矩也是連續(xù)分布的。在這兩個(gè)假定的基礎(chǔ)上建立模型進(jìn)行計(jì)算分析可得出各個(gè)簧片的應(yīng)力變形。很明顯，這一方法對(duì)彈簧進(jìn)行力學(xué)分析的時(shí)候，忽略到了板片之間的摩擦，所以該方法的結(jié)算結(jié)果與實(shí)際值存在一定的誤差。

1.2 集中載荷法

這一方法是假定鋼板彈簧只在板端有力的傳遞，而且同樣假設(shè)在外載荷作用下板簧接觸部分一旦接觸后不再分開。這里也忽略板片之間的摩擦作用。該計(jì)算方法也是把鋼板彈簧簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算分析中由于汽車上用的鋼板彈簧有對(duì)稱性，且裝配時(shí)固定條件也是對(duì)稱的，所以可以建立一半的模型進(jìn)行計(jì)算。

可以看出這兩個(gè)方法都必須在假定一定條件成立的基礎(chǔ)上，在不同程度和角度上對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但是，這兩種方法都忽略了鋼板彈簧在實(shí)際工作狀態(tài)下的復(fù)雜因素，如較大變形、摩擦和阻尼等。所以導(dǎo)致這兩種方法分析計(jì)算的結(jié)果都存在著不同程度的誤差。因此，對(duì)于鋼板彈簧實(shí)際存在的這種大變形、接觸等非線性狀態(tài)，我們采取有限元法來對(duì)鋼板彈簧的裝配預(yù)應(yīng)、剛度等進(jìn)行分析。

2 有限元法

有限元法是把無限自由度的連續(xù)體離散化，從而變?yōu)橛邢迋€(gè)單元節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析的方法。它的特點(diǎn)是不需作任何假設(shè)，便可模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的連續(xù)體。盡管這一方法的分析結(jié)果也是不能夠完全沒有誤差，但是可以通過選擇適當(dāng)?shù)膯卧w的形狀與數(shù)量，這樣便使得分析結(jié)果達(dá)到要求的精度。有限元分析法可以建立復(fù)雜的幾何形狀或邊界條件、復(fù)雜的材料的模型。所以比較而言用有限元法計(jì)算鋼板彈簧的應(yīng)力問題，理論上更嚴(yán)密、模型更準(zhǔn)確，這樣分析結(jié)果精度更高。

2.1 鋼板彈簧的有限元建模

用ANSYS12.0建立實(shí)體模型，建模時(shí)需要注意的是，由于鋼板彈簧在裝配前就具有一定曲率半徑，是弧形而非平直的，所以要根據(jù)實(shí)際物體尺寸參數(shù)建立其三維幾何模型，本文對(duì)簡(jiǎn)化型（不帶卷耳）的鋼板彈簧進(jìn)行分析，并且建模時(shí)忽略其中間的螺栓孔，三片鋼板彈簧選擇為同曲率。因?yàn)橹剌d汽車鋼板彈簧是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且在裝配過程中受載荷和約束都是對(duì)稱的，這里便可以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，所以建立鋼板彈簧的1/4模型。

2.2 定義接觸對(duì)

本次采用面-面接觸單元來模擬板簧之間的接觸，根據(jù)實(shí)際情況分別選擇合適的類型來描述接觸對(duì)的目標(biāo)面單元和接觸面單元。在指定接觸面和目標(biāo)面時(shí)，應(yīng)該特別注意的是接觸單元應(yīng)被控制不得穿透目標(biāo)面。鋼與鋼之間有潤(rùn)滑接觸摩擦?xí)r，其靜摩擦系數(shù)選擇為0.1～0.12，所以本次分析各簧片之間的摩擦系數(shù)為0.1。通過Gul命令mainmenu——preproeessor——realconstant——Add——CONTA173即可對(duì)實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義。通過GUI命令mainmenu——preproeesso，——Elementtype——Add——TARGE170——options即設(shè)置關(guān)鍵字。

通過接觸向?qū)?，將整個(gè)三片鋼板彈簧總成定義2個(gè)接觸對(duì)，每個(gè)接觸對(duì)有一個(gè)目標(biāo)面和一個(gè)接觸面。

2.3 模型約束及模型的加載

因?yàn)樗Ｐ蜑?/4模型，對(duì)稱面上的約束都相同，分析中控制三片鋼板彈簧中心截面每片彈簧截面的X、Y和Z方向的位移，且要模擬中心螺栓擰緊狀態(tài)下及鋼板彈簧的裝配中的應(yīng)力問題。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

由上述加載后應(yīng)力學(xué)分析模型圖上的應(yīng)力分布，可直觀得出鋼板彈簧各部分應(yīng)力大小分布情況，這為應(yīng)力分析及產(chǎn)品優(yōu)化提供了依據(jù)。且從上圖可得出：加載后所受應(yīng)力最大處是第一片鋼板彈簧的端部。由于對(duì)模型的簡(jiǎn)化較多，使得這次得出的分析結(jié)果在一定程度上會(huì)有偏差。所以，以后需深入研究建立更準(zhǔn)確模型來進(jìn)行模擬分析。

3 結(jié)語

鋼板彈簧板片之間的接觸情況是非常復(fù)雜的，且載荷變化，各片之間的接觸情況亦隨之變化。在研究分析鋼板簧力學(xué)特性時(shí)，板片間的接觸摩擦對(duì)其結(jié)果的影響不容忽視。在考慮片間接觸及其幾何非線性的情況下，利用ANSYS有限元軟件，對(duì)某三片等截面鋼板彈簧模型其滿載狀況加載下的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析。需要注意的是，當(dāng)表面接觸應(yīng)力較大時(shí)葉片的磨損會(huì)加速，并產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致鋼板彈簧疲勞損壞。

參考文獻(xiàn)

[1] 周繼銘.鋼板彈簧非線性模型的概述和分析[J].錦州工學(xué)院報(bào)，1991，10（2）.

[2] 黃向東.汽車懸架系統(tǒng)的有限元分析法及其應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程，1994，（5）.

[3] 鄭銀環(huán)，張仲甫.鋼板彈簧的非線性接觸分析及試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)報(bào)，2008，30（8）.

[4] 丁能根，馬建軍.鋼板彈簧遲滯特性的有限元分析

[J].汽車工程，2003，25（1）.

[5] 王玉超，周鋒.Marc有限元分析在鋼板彈簧設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代工程，2006，（12）.

作者簡(jiǎn)介：范永君（1990-），女，山東聊城人，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，研究方向：車輛NVH研究；潘景宇（1991-），男，山東聊城人，西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生，研究方向：航空電氣工程。

摘要：為了更好地分析了解重載汽車鋼板彈簧懸架受力后的形變及應(yīng)力分析。文章先通過分析傳統(tǒng)分析方法的不足之處，然后在傳統(tǒng)方法缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上說明了現(xiàn)代有限元分析方法更符合實(shí)際狀況，得到了鋼板彈簧總成加載一定的載荷后的應(yīng)力分布和彈簧變形情況的精確結(jié)果。

關(guān)鍵詞：鋼板彈簧；懸架；解析法；有限元分析法

中圖分類號(hào)：U461 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）27-0033-02

在重載汽車上，鋼板彈簧作為汽車懸架的彈性元件，是汽車容易損壞的元件，其好壞決定了汽車的各種性能。鋼板彈簧在整車上不光是彈性元件，它還在工作時(shí)傳遞除垂直方向外其他方向的力和力矩，并在傳遞這些力或力矩的同時(shí)起到導(dǎo)向作用。而且當(dāng)彈簧振動(dòng)時(shí)兩板片之間的接觸、摩擦還可以充當(dāng)一定的阻尼器件，起到阻尼作用。盡管鋼板彈簧在工作時(shí)負(fù)荷高，易損壞，但鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造、維修快捷方便，所以作為重型汽車的懸架被廣泛使用。雖然自然狀態(tài)下的鋼板彈簧幾何形狀簡(jiǎn)單，但是在其受到載荷時(shí)卻會(huì)有大變形（幾何非線性）、且板片間的接觸（狀態(tài)非線性）等多種非線性因素是非常復(fù)雜且這些因素在應(yīng)力分析是難以處理的。

1 解析法

傳統(tǒng)的鋼板彈簧分析是把它簡(jiǎn)化為懸臂梁，運(yùn)用材料力學(xué)的相關(guān)理論進(jìn)行計(jì)算分析。而實(shí)際工作狀態(tài)下的鋼板彈簧受力變形很復(fù)雜，因?yàn)榧扔写笞冃斡钟邪迤g摩擦非線性因素的影響。所以，利用解析法對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行力學(xué)分析，必須將它簡(jiǎn)化為具有理想的線性變形和無摩擦的力學(xué)模型。這樣就必須是假設(shè)在一定的條件下，才能建立起鋼板彈簧力學(xué)模型，且這樣的模型是過于簡(jiǎn)單的。當(dāng)鋼板彈簧所受為垂向載荷時(shí)，實(shí)際中通常采用下面的方法進(jìn)行計(jì)算分析：

1.1 共同曲率法

該方法是前蘇聯(lián)的帕爾希洛夫斯基提出的，通常我們又稱它為展開法，它假定在彈簧變形時(shí)各板片一旦接觸便不會(huì)再分離，所以不再會(huì)有在一起的各片有共同的曲率。而且，假定各簧片上的彎矩也是連續(xù)分布的。在這兩個(gè)假定的基礎(chǔ)上建立模型進(jìn)行計(jì)算分析可得出各個(gè)簧片的應(yīng)力變形。很明顯，這一方法對(duì)彈簧進(jìn)行力學(xué)分析的時(shí)候，忽略到了板片之間的摩擦，所以該方法的結(jié)算結(jié)果與實(shí)際值存在一定的誤差。

1.2 集中載荷法

這一方法是假定鋼板彈簧只在板端有力的傳遞，而且同樣假設(shè)在外載荷作用下板簧接觸部分一旦接觸后不再分開。這里也忽略板片之間的摩擦作用。該計(jì)算方法也是把鋼板彈簧簡(jiǎn)化為懸臂梁模型，進(jìn)行計(jì)算。在實(shí)際計(jì)算分析中由于汽車上用的鋼板彈簧有對(duì)稱性，且裝配時(shí)固定條件也是對(duì)稱的，所以可以建立一半的模型進(jìn)行計(jì)算。

可以看出這兩個(gè)方法都必須在假定一定條件成立的基礎(chǔ)上，在不同程度和角度上對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行了簡(jiǎn)化。但是，這兩種方法都忽略了鋼板彈簧在實(shí)際工作狀態(tài)下的復(fù)雜因素，如較大變形、摩擦和阻尼等。所以導(dǎo)致這兩種方法分析計(jì)算的結(jié)果都存在著不同程度的誤差。因此，對(duì)于鋼板彈簧實(shí)際存在的這種大變形、接觸等非線性狀態(tài)，我們采取有限元法來對(duì)鋼板彈簧的裝配預(yù)應(yīng)、剛度等進(jìn)行分析。

2 有限元法

有限元法是把無限自由度的連續(xù)體離散化，從而變?yōu)橛邢迋€(gè)單元節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析的方法。它的特點(diǎn)是不需作任何假設(shè)，便可模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的連續(xù)體。盡管這一方法的分析結(jié)果也是不能夠完全沒有誤差，但是可以通過選擇適當(dāng)?shù)膯卧w的形狀與數(shù)量，這樣便使得分析結(jié)果達(dá)到要求的精度。有限元分析法可以建立復(fù)雜的幾何形狀或邊界條件、復(fù)雜的材料的模型。所以比較而言用有限元法計(jì)算鋼板彈簧的應(yīng)力問題，理論上更嚴(yán)密、模型更準(zhǔn)確，這樣分析結(jié)果精度更高。

2.1 鋼板彈簧的有限元建模

用ANSYS12.0建立實(shí)體模型，建模時(shí)需要注意的是，由于鋼板彈簧在裝配前就具有一定曲率半徑，是弧形而非平直的，所以要根據(jù)實(shí)際物體尺寸參數(shù)建立其三維幾何模型，本文對(duì)簡(jiǎn)化型（不帶卷耳）的鋼板彈簧進(jìn)行分析，并且建模時(shí)忽略其中間的螺栓孔，三片鋼板彈簧選擇為同曲率。因?yàn)橹剌d汽車鋼板彈簧是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且在裝配過程中受載荷和約束都是對(duì)稱的，這里便可以對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，所以建立鋼板彈簧的1/4模型。

2.2 定義接觸對(duì)

本次采用面-面接觸單元來模擬板簧之間的接觸，根據(jù)實(shí)際情況分別選擇合適的類型來描述接觸對(duì)的目標(biāo)面單元和接觸面單元。在指定接觸面和目標(biāo)面時(shí)，應(yīng)該特別注意的是接觸單元應(yīng)被控制不得穿透目標(biāo)面。鋼與鋼之間有潤(rùn)滑接觸摩擦?xí)r，其靜摩擦系數(shù)選擇為0.1～0.12，所以本次分析各簧片之間的摩擦系數(shù)為0.1。通過Gul命令mainmenu——preproeessor——realconstant——Add——CONTA173即可對(duì)實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義。通過GUI命令mainmenu——preproeesso，——Elementtype——Add——TARGE170——options即設(shè)置關(guān)鍵字。

通過接觸向?qū)?，將整個(gè)三片鋼板彈簧總成定義2個(gè)接觸對(duì)，每個(gè)接觸對(duì)有一個(gè)目標(biāo)面和一個(gè)接觸面。

2.3 模型約束及模型的加載

因?yàn)樗Ｐ蜑?/4模型，對(duì)稱面上的約束都相同，分析中控制三片鋼板彈簧中心截面每片彈簧截面的X、Y和Z方向的位移，且要模擬中心螺栓擰緊狀態(tài)下及鋼板彈簧的裝配中的應(yīng)力問題。

2.4 計(jì)算結(jié)果與分析

由上述加載后應(yīng)力學(xué)分析模型圖上的應(yīng)力分布，可直觀得出鋼板彈簧各部分應(yīng)力大小分布情況，這為應(yīng)力分析及產(chǎn)品優(yōu)化提供了依據(jù)。且從上圖可得出：加載后所受應(yīng)力最大處是第一片鋼板彈簧的端部。由于對(duì)模型的簡(jiǎn)化較多，使得這次得出的分析結(jié)果在一定程度上會(huì)有偏差。所以，以后需深入研究建立更準(zhǔn)確模型來進(jìn)行模擬分析。

3 結(jié)語

鋼板彈簧板片之間的接觸情況是非常復(fù)雜的，且載荷變化，各片之間的接觸情況亦隨之變化。在研究分析鋼板簧力學(xué)特性時(shí)，板片間的接觸摩擦對(duì)其結(jié)果的影響不容忽視。在考慮片間接觸及其幾何非線性的情況下，利用ANSYS有限元軟件，對(duì)某三片等截面鋼板彈簧模型其滿載狀況加載下的應(yīng)力分布進(jìn)行了模擬分析。需要注意的是，當(dāng)表面接觸應(yīng)力較大時(shí)葉片的磨損會(huì)加速，并產(chǎn)生裂紋導(dǎo)致鋼板彈簧疲勞損壞。

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作者簡(jiǎn)介：范永君（1990-），女，山東聊城人，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院碩士研究生，研究方向：車輛NVH研究；潘景宇（1991-），男，山東聊城人，西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院碩士研究生，研究方向：航空電氣工程。