基于Hypermesh的板簧懸架模型建立與驗(yàn)證

徐論意

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于Hypermesh的板簧懸架模型建立與驗(yàn)證

徐論意

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在車架強(qiáng)度分析過程中，板簧懸架模型的至關(guān)重要，其直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文利用前處理軟件Hypermesh建立有限元模型，后處理軟件Msc.nastran計(jì)算出結(jié)果。同時(shí)將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比，證明了板簧懸架模型的合理性。

車架；板簧懸架；有限元

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-101-03

前言

在車架強(qiáng)度有限元分析過程中，板簧懸架模型至關(guān)重要，其直接關(guān)系到車架強(qiáng)度分析的準(zhǔn)確性。在各種文獻(xiàn)中，板簧懸架的模型被廣泛使用，但其模型是否能夠與實(shí)際相符合，一直無人探討。

筆者以在職單位的某款輕型卡車底盤為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)物加載試驗(yàn)，基于車架CAD模型和板簧懸架相關(guān)零部件的性能參數(shù)，綜合利用Hypermesh，Msc.nastran有限元分析軟件建立有限元模型和計(jì)算，對(duì)比分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的吻合程度，為以后車架強(qiáng)度分析提供參考。

分析流程如下：

（1）選取具有便于加載、記錄及有限元模型建立的懸架結(jié)構(gòu)的輕型卡車底盤，盡可能減少其他不明確的載荷、工況等因素對(duì)分析問題的影響；

（2）對(duì)輕型卡車底盤進(jìn)行加載試驗(yàn)，使其車架出現(xiàn)明顯的塑性變形，記錄相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

（3）根據(jù)車架CAD模型及約束條件通過Hypermesh建立有限元模型，利用Msc.nastran計(jì)算得出理論數(shù)據(jù)；

（4）對(duì)CAE分析結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論。

1、輕型卡車底盤的選取及加載試驗(yàn)

輕型卡車一般為兩軸結(jié)構(gòu)，具有前懸架和后懸架。由于輕型卡車前部及中部承受駕駛室、駕駛員、副駕駛員、發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、油箱等載何的作用，受力較為復(fù)雜，有限元模型難以精準(zhǔn)模擬其真實(shí)受力情況。相反，在輕型卡車后部受力情況簡單很多，特別是對(duì)于不帶貨箱的二類底盤，其不受多余外載荷的作用，便于驗(yàn)載荷的施加及確保影響因素的唯一性。

輕型卡車的后懸架多為主、副簧的板簧懸架，有副簧支架，其特點(diǎn)是當(dāng)載荷較小時(shí)，僅主簧工作，當(dāng)載荷達(dá)到一定值時(shí)，副簧與副簧支架接觸，副簧開始起作用。為避免副簧支架受力對(duì)車架強(qiáng)度的影響，本文采用另一種副簧下置（不帶副簧支架）的結(jié)構(gòu)。

在汽車行駛過程中，典型的工況包括彎曲、扭轉(zhuǎn)急剎制動(dòng)和轉(zhuǎn)彎4種工況。彎曲工況很容易通過施加驗(yàn)證載荷達(dá)到，且容易記錄載荷和變形量。

綜上所述，本文選取副簧下置的后懸架為研究對(duì)象，通過對(duì)車架尾梁施加集中載荷，使車架出現(xiàn)彎曲變形，具體理論模型示意圖見圖1。

按圖1模型對(duì)車架進(jìn)行逐漸逐級(jí)加載：載荷量從1000Kg開使，增量為200kg，每次加載后進(jìn)行釋放載荷，記錄尾梁離地高度，直至加載到尾梁不能恢復(fù)到加載前的高度為止，說明此時(shí)車架已發(fā)生塑性變形，明顯塑性變形位置見圖2。記錄下載荷為1800Kg，尾梁豎直位移量為47mm。

2、有限元模型建立

2.1 網(wǎng)格劃分

該車架為典型的邊梁式車架，車架縱梁和橫梁均有薄板件沖壓成型，其長度遠(yuǎn)大于厚度，可以采用殼單元來模擬。車架CAD數(shù)模在UG NX6.0中建立，由于Hyperworks對(duì)IGES格式導(dǎo)人效果較好，故將模型轉(zhuǎn)換為IGES格式。采用HyperWorks中的BatchMesher對(duì)IGES文件進(jìn)行中性面抽取和網(wǎng)格劃分并將劃分完的網(wǎng)格的文件導(dǎo)入Hypermesh中，檢查其網(wǎng)格質(zhì)量。對(duì)于錯(cuò)誤網(wǎng)格應(yīng)通過改變切割單元、改變節(jié)點(diǎn)位置等手段進(jìn)行修改，保證錯(cuò)誤網(wǎng)格為零。

網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)劣將對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。因此對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的控制就顯得尤為重要 。圖3是網(wǎng)格質(zhì)量控制參數(shù)，其中單元長寬比小于5:1：翹曲角小于15°；雅克比大于0.6：三角形單元占總單元比例不超過5%。

劃分網(wǎng)格后的車架模型有節(jié)點(diǎn)31062個(gè)．單元29123個(gè)，其中四邊形單元27870個(gè)。三角形單元1253個(gè)，三角形單元占總單元的比例為4.3%。網(wǎng)格質(zhì)量見表1。

表1 網(wǎng)格質(zhì)量

2.2 連接方式處理

車架各橫梁和縱梁通過鉚接連接，采用方便、快捷的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的rbe2連接即用rhe2將圓孔中心的主節(jié)點(diǎn)和圓孔周圍6個(gè)從節(jié)點(diǎn)連接起來．再用rbe2單元連接上下兩圓孔的中心，具體鉚接連接模擬方式見圖4。

2.3 懸架模擬

輕型卡車底盤的后懸架具體的連接方式為，板簧前端固定在車架的板簧固定支架上，板簧后端通過板簧吊耳與車架上的板簧吊耳支架連接。為研究方便，在板簧前后安裝點(diǎn)用點(diǎn)來模擬，并通過rbe2將該點(diǎn)與車架上相應(yīng)的鉚接孔連接。將板簧簡化成CBUSH[，分別與模擬點(diǎn)連接。

2.4 約束與加載

為降低計(jì)算量，截取車架后半部分為研究對(duì)象。在彎曲工況下，截面處存在彎曲變形，所以對(duì)截面的各個(gè)節(jié)點(diǎn)Z向及繞Y軸旋轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度不予約束，其余四個(gè)自由度進(jìn)行約束；板簧托即后橋?yàn)楣潭ㄟB接，進(jìn)行六個(gè)自由度的完全約束；板簧與車架的連接不是固連，而是在一定自由度上可以發(fā)生運(yùn)動(dòng)：板簧固定支架處可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，板簧吊耳支架處可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和滑動(dòng)，對(duì)板簧卷耳和吊耳分別施以相應(yīng)的約束。

根據(jù)圖1中的模型及試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)，對(duì)有限元模型施以1800Kg載荷，用以車架強(qiáng)度計(jì)算。最終車架有限元模型見圖5。

2.5 賦材料及屬性

鋼板彈簧CBUSH賦予剛度值為271N/mm；對(duì)車架縱梁、各橫梁及連接板賦予510L材料，材料的力學(xué)性能見表2。

表2 材料力學(xué)性能

2.6 導(dǎo)出計(jì)算及查看結(jié)果

將hypermesh文件導(dǎo)出成bdf格式，用Msc.nastran打開計(jì)算并查看分析結(jié)果，圖6、圖7分別為車架的最大應(yīng)力點(diǎn)及最大位移點(diǎn)。

3、加載試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果對(duì)比

將加載試驗(yàn)和有限元分析得到的加載載荷、尾梁位移量、變形位置進(jìn)行對(duì)比，加載試驗(yàn)與有限元分析數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。

表3 加載試驗(yàn)與有限元分析數(shù)據(jù)

由上表可以看出，在相同位置加載相同載荷的情況下，試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果均出現(xiàn)塑性變形且變形位置相同，尾梁位移量也基本相同。結(jié)果充分證明了板簧懸架模型的合理性。

4、結(jié)論

本文通過合理的模型選取，采用試驗(yàn)和有限元分析結(jié)果作對(duì)比，充分證明了在車強(qiáng)度分析中，板簧懸架模型的正確性，為新車架的開發(fā)提供參考。

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Establishment and verification of leaf-spring suspension model based on Hypermesh

Xu Lunyi
（Anhui Jiang-Huai Automobile Company, Anhui Hefei 230601 )

In the process of the frame strength analysis, leaf-spring suspension model is very important, which directly affects the accuracy of the results. In this article, the finite element model is established by the pre-processing software Hypermesh and the results are calculated by the post-processing software Msc.nastran. At the same time, the calculation results are compared with the experimental data, proved the reasonability of leaf-spring suspension model.

frame; leaf-spring suspension; finite element

U463.8

A

1671-7988(2015)01-101-03

徐論意，就職于江淮汽車技術(shù)中心商用車研究院。