基于ABAQUS的某農(nóng)用車(chē)不等臂鋼板彈簧有限元顯式動(dòng)力分析

洪 昊，王孝鵬，吳 龍，2

(1.三明學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建三明365004;2.三明機(jī)械CAD工程研究中心，福建 三明365004)

0 引言

鋼板彈簧是在汽車(chē)非獨(dú)立懸架中應(yīng)用中最為廣泛的一種彈性組建，它由若干片長(zhǎng)度不等、曲率半徑不同、厚度相等或者不等彈簧鋼片疊合再一起，組成一根近似等強(qiáng)度的彈性梁[1]。在車(chē)架加載彈簧變形時(shí)，簧片之間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)而產(chǎn)生摩擦，此時(shí)鋼板彈簧本身具有一定的減震作用。鋼板彈簧本身還兼起導(dǎo)向作用，可以不必設(shè)置導(dǎo)向裝置，使懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，因此在重型卡車(chē)及農(nóng)用運(yùn)輸?shù)溶?chē)輛上廣泛應(yīng)用。宇辰農(nóng)林機(jī)械生產(chǎn)的QS-3BY-9C1型號(hào)爬山虎采用的是前后橋鋼板彈簧支撐，在使用過(guò)程中，滿載受瞬時(shí)沖擊后，前橋板簧可能與其下面的轉(zhuǎn)向橫拉桿發(fā)生撞擊，導(dǎo)致轉(zhuǎn)向失靈，前橋如圖1所示。因此借助ABAQUS有限元軟件對(duì)前板簧進(jìn)行顯式瞬時(shí)動(dòng)力學(xué)分析，驗(yàn)證鋼板彈簧的最大應(yīng)變及應(yīng)力特性。

1 板簧有限元模型[2-5]

1.1 有限元網(wǎng)格劃分

在對(duì)板簧進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)每片板簧的細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略其他零部件，只單獨(dú)對(duì)簧片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化與自由掃略網(wǎng)格劃分。單元類(lèi)型為C3D8R，共有119598個(gè)單元。

1.2 模型的材料及接觸特性

圖1 爬山虎前橋

圖2 板簧幾何模型

板簧的材料是60Si2Mn，彈性模型為2.06×105MPa?，泊松比為 0.29，密度為 7.74×10-9tonne/mm3，抗拉強(qiáng)度為 1270 MPa。在板簧之間施加接觸屬性，主從面分別選取相互接觸簧面的外側(cè)與內(nèi)側(cè)，共11個(gè)接觸對(duì)，簧片之間的摩擦系數(shù)為0.15。

1.3 載荷與邊界條件處理

圖3 板簧有限元模型

板簧在工作時(shí)，在第一片板簧兩端卷耳中心建立參考點(diǎn)，然后在參考點(diǎn)與卷耳內(nèi)面施加MPC多點(diǎn)約束，模擬連桿銷(xiāo)與卷耳的連接。約束鋼板彈簧一端參考點(diǎn)123方向自由度，約束另一端參考點(diǎn)13方向自由度。在每一片板簧的螺栓中心孔建立一個(gè)參考點(diǎn)，在參考點(diǎn)與中心孔內(nèi)面建立分布約束，最后把12個(gè)參考點(diǎn)剛性連接，來(lái)模擬板簧中心螺栓對(duì)鋼板彈簧的預(yù)緊力。

2 仿真分析

在分析步模塊中，定義單一的一個(gè)顯式動(dòng)力分析步，分析步的總時(shí)間為2秒，經(jīng)計(jì)算得到板簧的應(yīng)力及位移特性，如圖4、5所示。從應(yīng)力圖中可以看到，板簧的最大應(yīng)力為2413MPa，大于抗拉強(qiáng)度1270MPa，有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn);其中最大位移變形為61mm，小于板簧與轉(zhuǎn)向橫拉桿之間的距離84mm，在使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生撞擊。分別顯示每片板簧的應(yīng)力如圖6所示，副簧所受最大應(yīng)力為1573MPa，位于板簧中心螺孔的兩側(cè)，大于抗拉強(qiáng)度1270MPa，有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn);主簧第四片所受最大應(yīng)力為1118MPa，應(yīng)力主要集中在板簧中心螺孔的左側(cè)，右側(cè)所受的應(yīng)力范圍較小。主簧第三片所受最大應(yīng)力為2413MPa，大于抗拉強(qiáng)度1270MPa，應(yīng)力主要集中在板簧中心螺孔邊緣上的節(jié)點(diǎn)上，有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)。主簧第二片與主簧所受的最大應(yīng)力分別為858MPa與843MPa，應(yīng)力主要集中在板簧中心螺孔兩側(cè)且分布范圍較廣。

圖4 板簧應(yīng)力云圖

圖5 板簧應(yīng)變?cè)茍D

圖6 副簧應(yīng)力云圖

圖7 主簧第四片應(yīng)力云圖

圖8 主簧第三片應(yīng)力云圖

圖9 主簧第二片應(yīng)力云圖

3 結(jié)論

本文采用ABAQUS軟件建立爬山虎前橋不等臂鋼板彈簧模型并對(duì)其進(jìn)行顯示動(dòng)力分析，分析結(jié)果表明:板簧的整體位移特性為61mm，小于板簧與轉(zhuǎn)向橫拉桿之間的距離84mm，在使用過(guò)程中不會(huì)發(fā)生撞擊;板簧所受的應(yīng)力較大，副簧與主簧第四片所受應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度，有發(fā)生斷裂的危險(xiǎn)。

[1]關(guān)文達(dá).汽車(chē)構(gòu)造:第2版[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:329.

[2]楊曼云，張巖暉，張中華，等.有限元分析技術(shù)在車(chē)用少片變截面鋼板彈簧研發(fā)中的應(yīng)用[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新，2013，26(1).

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