板簧支架有限元建模方法研究

聶成剛，白素強，武曉曉，劉俊

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

前言

車輛板簧支架是板簧與車架連接的關鍵部件，對板簧起支撐作用，將來自板簧方面的力傳遞給車架，其結(jié)構(gòu)強度直接影響車輛的行駛安全[1]。因此前期設計階段對支架的強度校核顯得非常重要。隨著計算機仿真技術的不斷發(fā)展，有限元分析技術已經(jīng)被廣泛應用于設計方案的前期校核中。

有限元分析是物理現(xiàn)象（幾何及載荷工況）的模擬，是對真實情況的數(shù)值近似[2]。在建立虛擬模型的過程中，不可避免的要對真實結(jié)構(gòu)以及邊界等做出一定的簡化，而不同的簡化建模方法就會導致得到不同的分析結(jié)果，最終影響對結(jié)構(gòu)是否合理的評判。本文通過對板簧支架結(jié)構(gòu)不同的建模方法進行對比分析，總結(jié)出合理的建模方法，同時對類似結(jié)構(gòu)件的分析具有一定的指導意義。

1 有限元仿真建模

在早前的分析建模中，為了分析的方便快捷，很多 CAE分析人員會對板簧支架分析模型做出過多的簡化，比如對板簧支架螺栓連接位置直接進行約束，不考慮縱梁變形對支架結(jié)果的影響；再比如不考慮支架結(jié)構(gòu)與縱梁之間的接觸關系等等。過多的簡化都會造成結(jié)果與實際的較大偏差。此次建模過程中，均截取板簧支架安裝位置處的一段縱梁，裝配后進行整體分析。

1.1 網(wǎng)格劃分

圖1 網(wǎng)格模型

使用HyperMesh對該結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格劃分，其中縱梁以及內(nèi)加強板采用殼單元離散，平均單元10mm；板簧支架采用實體單元離散，平均單元5mm。網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2 建模簡化方案

1.2.1 建模方案1

所有的螺栓包括卷耳位置處連接都采用rbe2+beam單元形式簡化（如圖2和圖3所示），梁單元截面直徑與實際保持一致?？v梁下翼面與板簧支架相應平面建立接觸。

圖2 方案1模型

圖3 螺栓連接以及卷耳位置處連接形式

1.2.2 建模方案2

將支架與縱梁間的連接螺栓 （共四個）采用實體單元建模；卷耳位置處結(jié)構(gòu)也采用實體建模；其他位置處螺栓仍采用rbe2+beam單元形式簡化（如圖4和圖5所示），梁單元截面直徑與實際保持一致。結(jié)構(gòu)中所有的接觸平面均建立接觸關系。

圖4 方案2模型

圖5 螺栓連接以及卷耳位置處連接形式

1.3 約束與載荷邊界條件

約束：縱梁兩端進行全約束；

表1 工況及載荷

載荷：板簧支架在懸架中的受力情況比較復雜。有豎直方向的沖擊力、車輛轉(zhuǎn)彎時施加在板簧支架上的橫向沖擊力、車輛行駛方向平行的加速力及緊急制動力（前后方向受力）[3]。根據(jù)此車型相關參數(shù)，將板簧支架及整車模型進行簡化處理進行計算[4]。此板簧支架在加載點處按照表1中數(shù)據(jù)加載載荷；四個實體螺栓螺桿上按表2中數(shù)據(jù)施加螺栓預緊力。

表2 螺栓規(guī)格以及螺栓預緊力

1.4 材料數(shù)據(jù)

板簧支架材料為 QT500，縱梁以及內(nèi)加強板的材料為510L，相關數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 材料相關參數(shù)表

2 仿真分析結(jié)果

由于工況較多，僅列出計算結(jié)果較為惡劣的右轉(zhuǎn)彎工況和垂向沖擊工況的應力分布云圖。其它工況在后文進行相應結(jié)果統(tǒng)計。

2.1 右轉(zhuǎn)彎工況結(jié)果

右轉(zhuǎn)彎工況下應力分布結(jié)果（左為方案1，右為方案2）：

圖6 板簧支架應力分布云圖

圖7 板簧支架應力分布云圖

圖8 縱梁應力分布云圖

2.2 垂向沖擊工況結(jié)果

垂向沖擊工況下應力分布結(jié)果（左為方案 1，右為方案2）：

圖9 板簧支架應力分布云圖

圖10 板簧支架應力分布云圖

圖11 縱梁應力分布云圖

2.3 分析結(jié)果匯總

圖12 應力結(jié)果匯總標示點位置

表4 應力結(jié)果匯總表（MPa）

為了更直觀的對兩個方案的分析結(jié)果進行橫向?qū)Ρ?，選取較為典型的5個位置的點（分別對應圖7-圖11應力結(jié)果云圖中的各個標示點）進行數(shù)值統(tǒng)計。其中P1、P2、P3、P4點為板簧支架上的點，如圖12中所示。P5點為縱梁上的點，位于板簧支架與縱梁連接的最上端螺栓孔位置處。

各工況下每個位置處應力結(jié)果統(tǒng)計如表4中所示。

3 結(jié)論

兩個方案應力分布趨勢基本一致，但應力大小差異較大。方案1中由于采用剛性單元和梁單元組合的形式進行連接，造成局部剛度改變，影響應力結(jié)果大小和分布。方案2中，由于采用實體螺栓建模并引入螺栓預緊力，同時較為完整考慮到結(jié)構(gòu)件之間的接觸關系，與實際結(jié)構(gòu)更為接近，分析結(jié)果更為準確。

由結(jié)果可以看出：想要得到較為合理的螺栓連接區(qū)域附近的應力結(jié)果，接觸和預緊力是建模中必須需要考慮的因素。同時，在建模中一定要考慮模型簡化對結(jié)構(gòu)剛度和強度的影響。

4 結(jié)束語

在使用有限元法進行類似結(jié)構(gòu)件的強度剛度等校核過程中，模型簡化方法至關重要，不合理的簡化可能會導致結(jié)果與實際偏差很大。針對不同的結(jié)構(gòu)件，嘗試使用不同的建模簡化方法進行對比分析，從而篩選出合理高效的建模方法，這是CAE工程師重要的工作之一。