基于ANSYS的懸架彈簧疲勞壽命仿真及優(yōu)化

(1.西安航空學(xué)院 車輛工程學(xué)院，陜西 西安 710077 ;2.西安航空學(xué)院 汽車檢測工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710077)

0 引 言

在汽車懸架結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，螺旋彈簧主要承擔(dān)兩大任務(wù)：承受由于路面不平對車身的沖擊載荷以及對車身起支撐作用[1]。在汽車行駛過程中，懸架彈簧質(zhì)量的好壞，對于車輛的平穩(wěn)，安全舒適，起著至關(guān)重要的作用。因此，對懸架螺旋彈簧的疲勞分析具有很大的現(xiàn)實作用和意義[2]。

JB-T10416-2004《懸架用螺旋彈簧技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定汽車懸架螺旋彈簧需要在專業(yè)的疲勞試驗機(jī)上進(jìn)行疲勞實驗，并且需規(guī)定確定的路面激勵，在一定的頻率下(1～6Hz)連續(xù)循環(huán)作用，以保證彈簧的疲勞壽命強(qiáng)度[3]。借助現(xiàn)代計算機(jī)的科學(xué)技術(shù)對懸架疲勞斷裂進(jìn)行仿真模擬，估算使用壽命，為疲勞課題的深入研究做了深入的鋪墊。

1 模型的建立

1.1 螺旋彈簧的幾何尺寸

研究對象為螺旋彈簧，該彈簧結(jié)構(gòu)是通過螺旋線經(jīng)過曲面繞制而成。圓柱形螺旋彈簧的幾何圖如圖1所示。其中彈簧外徑為D2；彈簧中徑為D；彈簧內(nèi)經(jīng)為D1；彈簧絲直徑為d；彈簧自由高度為H0；彈簧的螺旋角度為ɑ；彈簧的節(jié)距為t=πDtanɑ；彈簧的有效工作圈數(shù)為n。經(jīng)對國內(nèi)某品牌轎車螺旋彈簧(如圖2)測量后的到幾何參數(shù)如表1所示。

圖1 彈簧幾何圖

圖2 研究對象實物圖

1.2 三維模型的建立

經(jīng)過對螺旋彈簧的參數(shù)測量后使用三維建模軟件CATIA對該實物進(jìn)行三維建模，所用相關(guān)功能特征包括：草圖、參考點、參考線、參考面、螺旋線、肋、分割等，建好的三維模型如圖3所示。

圖3 螺旋彈簧三維模型

圖4 螺旋彈簧的網(wǎng)格劃分

2 疲勞壽命分析

2.1 疲勞壽命的預(yù)測方法

現(xiàn)在科學(xué)研究中，常用的疲勞壽命分為三種，即名義應(yīng)力法、局部應(yīng)力應(yīng)變法和斷裂力學(xué)法，構(gòu)件的疲勞破壞[4]。在此假設(shè)疲勞破壞都是從應(yīng)變集中部位的最大應(yīng)變處開始，局部塑性變形是疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展的先決條件，因此運用第二種方法局部應(yīng)力應(yīng)變法來研究彈簧的疲勞強(qiáng)度。

2.2 疲勞壽命分析過程

螺旋彈簧的建模到仿真分析的過程如下。

(1)定義單元格類型。對于彈簧這個材料以及結(jié)構(gòu)，使用梁這個單元(Beam)。

(2)材料參數(shù)的定義。

目前，國內(nèi)使用最多的汽車懸架彈簧材料是60si2MnA油淬火回火鋼絲[5]。60si2MnA這種材料的生產(chǎn)占全年生產(chǎn)的60%，成為最普遍的彈簧生產(chǎn)材料，而且這種材料中加入了硅，大大提升了彈性極限，并且增加了回火穩(wěn)定性，因此擁有良好的力學(xué)性能，同時材料中加入錳，也抑制了表面脫碳，使得材料具有較高的穩(wěn)定性，所以課題研究螺旋彈簧采用的是60si2MnA。彈簧材料的力學(xué)性能如表2所示。

表2 彈簧材料的力學(xué)性能

(3)導(dǎo)入CATIA建立的汽車懸架彈簧的三維模型圖。

(4)網(wǎng)格劃分。ANSYS網(wǎng)格劃分有三角形，正方形，矩形等，一般常用6面體劃分，劃分結(jié)果如圖4所示。

(5)定義約束類型。這里只考慮彈簧受力狀態(tài)下的法向受力，也就是只有1個自由。將彈簧的受力情況簡化成只在Z方向的一個自由度(Zcomponent)。

(6)添加載荷。載荷按照實際工況的承載方式，本次加載的載荷為汽車在搓板路、魚鱗坑路及扭曲路上實際行駛時受到的載荷，數(shù)據(jù)如圖5所示。

(7)求解。

2.3 彈簧疲勞壽命結(jié)果

設(shè)置疲勞壽命步驟后進(jìn)行求解，得到該懸架螺旋彈簧的疲勞壽命云圖，如圖6所示。

圖6 疲勞壽命云圖

圖7 改進(jìn)前后對比圖

圖8 改進(jìn)后疲勞壽命云圖

從疲勞壽命得到的云圖可知，該彈簧在該路面激勵下，最薄弱的部分循環(huán)次數(shù)為1.9975e5次，最早出現(xiàn)疲勞斷裂破壞的位置在彈簧最兩邊。根據(jù)實際路面激勵載荷采集過程經(jīng)過計算，裝配該螺旋彈簧的汽車在這種復(fù)合路面工況下行駛時，汽車能夠保證彈簧最危險部位不產(chǎn)生裂紋或者斷裂的安全行駛距離約為9.98萬公里。

3 優(yōu) 化

3.1 提高彈簧疲勞壽命的方法

工程中對于螺旋彈簧提高強(qiáng)度的方法一般有形變熱處理、彈簧的等溫淬火、彈簧的松弛處理、溫碳氮共滲、噴丸處理和改變結(jié)構(gòu)參數(shù)法[6]。本課題優(yōu)化彈簧從彈簧的設(shè)計方案入手，從彈簧疲勞壽命云圖可以看出，最小疲勞壽命點發(fā)生在兩端，彈簧直徑較小的部分。發(fā)生這樣的現(xiàn)象是因為彈簧與底座或者頂座要充分接觸，避免彈簧在受力壓縮狀態(tài)下滑動，旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生異響，所以，該彈簧兩端部分被削平。

3.2 優(yōu)化方案

改進(jìn)措施是將彈簧長度延長兩邊各自延長5mm，讓彈簧的底座同樣的凹陷5mm使得彈簧兩端厚度增加，改進(jìn)前后對比如圖7所示。

對改進(jìn)后的模型同樣進(jìn)行2.2所述分析，優(yōu)化后的疲勞云圖如圖8所示。

從該疲勞壽命云圖可知，經(jīng)過機(jī)構(gòu)參數(shù)的變換，該彈簧在該路面激勵下，最薄弱的部分循環(huán)次數(shù)為2.02e5次。最早出現(xiàn)疲勞斷裂破壞的位置在彈簧最兩邊，經(jīng)過計算，汽車在這種復(fù)合路面工況下行駛時，汽車能夠保證彈簧最危險部位不產(chǎn)生裂紋或者斷裂的安全行駛距離約為10.1萬公里，比改進(jìn)前汽車行駛距離提高。

4 結(jié) 論

(1)通過對螺旋彈簧局部應(yīng)力最集中部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化可提高其疲勞壽命。

(2)改變螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最薄弱部位分布點沒有發(fā)生太大變換。

(3)簡化了受力狀態(tài)，只研究了一個自由度(Z軸)下的彈簧受力，而彈簧在工作過程中，還存在著多軸疲勞。

參考文獻(xiàn):

[1] 佟家慧.懸架用大載荷圓柱螺旋壓縮彈簧優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].科學(xué)技術(shù)與程,2012,(2):12-13.

[2] 劉建勛.一種橡膠彈性元件疲勞壽命預(yù)測方法的研究[J].電力機(jī)車與城軌車輛, 2011,(1):44-46.

[3] JB/T 10416-2004, 懸架用螺旋彈簧 技術(shù)條件[S].

[4] 陳士偉.影響貨車圓柱螺旋壓縮彈簧疲勞的主要因素[J].機(jī)車車輛工藝2004，(2):35-37 .

[5] 張大勇.蝸卷螺旋彈簧設(shè)計[D].湖南:湖南大學(xué),2013.7-9.

[6] 歐陽雅娜. 彈簧鋼的熱處理工藝研究[D].河北工業(yè)大學(xué),2015.