李玉平,肖志遠
(中航復合材料有限責任公司,北京 101300)
美國Hyperco公司早在20世紀80年代就研制出復合材料板簧,用于雪佛蘭車上。英國GKN公司的纖維增強塑料(FRP)板簧于1985年起大量生產(chǎn)。第一個復合材料板簧的實樣用于英國制造的7.5 t載重車。與等效的變截面鋼板彈簧相比,復合材料板簧的質(zhì)量減輕了50%,而與等效的多片板簧相比,則減輕65%.復合材料板簧的平順性和噪音衰減性均優(yōu)于鋼板彈簧。“安全斷裂”是復合材料板簧特有的優(yōu)點,所謂“安全斷裂”,就是嚴重超載時,復合材料板簧將沿長度方向分層開裂,這時它的剛度將降低,但仍可使車軸的位置保持不變,因而車子仍能安全行駛到修理廠。
復合材料板簧采用單片板簧結(jié)構(gòu)形式,好處在于容易達到需要的設(shè)計剛度并減輕質(zhì)量,并可避免多片板簧之間的摩擦,結(jié)構(gòu)簡單,易于裝配和維護。復合材料板簧總成包括復合材料板簧本體、兩端連接卷耳、中部金屬加載盒、尼龍墊片、連接板簧本體和卷耳的螺栓等。卷耳是連接復合材料本體與車架的金屬部件;加載盒是連接復合材料本體與車橋的金屬部件;尼龍墊片設(shè)置于復合材料本體與金屬加載盒之間,以防止復合材料板簧與金屬加載盒相互磨損。
圖1 復合材料板簧總成
圖1為復合材料板簧總成,圖中x,y,z是板簧的計算和鋪層坐標系方向。該板簧計算有4種載荷工況,即滿載、最大靜載、轉(zhuǎn)向、制動工況,所用材料為快速固化的玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料。
載荷工況、設(shè)計參數(shù)及材料參數(shù)見表1至表4.
表1 載荷工況(單位:kN)
表2 設(shè)計參數(shù)
表3 復合材料板簧有限元計算材料取值
表4 材料強度許用值
上述表中,E1,E2分別指1向、2向彈性模量;v12指1向、2向泊松比;G12指1向、2向剪切模量;X1、Y1分別指1向拉伸強度、壓縮強度;X2,Y2分別指2向拉伸強度、壓縮強度。
復合材料板簧采用等寬度、等強度設(shè)計,保證板簧沿軸線各截面具有相同的強度(應(yīng)力),以此來保證板簧具有較輕的質(zhì)量。通過模型簡化,給定設(shè)計限定應(yīng)力,可以對板簧的厚度、剪應(yīng)力、位移等進行解析求解。經(jīng)過多輪參數(shù)比較,可以給出一個相對優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果,并作為有限元分析的輸入,進行多次迭代分析驗證。
圖2為最終優(yōu)化后的板簧厚度變化曲線(板簧厚度沿YZ面對稱,因此只顯示半個板簧數(shù)據(jù))。
圖2 板簧厚度變化曲線
剛度設(shè)計:板簧總成剛度K=F/D,即作用力大小與力作用點位移的比值。在強度設(shè)計過程中選取合適的截面積和截面厚度,使剛度K滿足要求。
依據(jù)理論設(shè)計得到的結(jié)果,使用CATIA進行三維建模,如圖3所示,并用Abaqus進行有限元分析計算,見圖4.有限元分析校核最大靜載、制動、轉(zhuǎn)向3種工況下的板簧強度。
圖3CATIA三維模型
圖4 有限元模型
各個工況的有限元分析結(jié)果顯示,設(shè)計結(jié)果是符合設(shè)計要求的,如表5至表7所示。滿載工況下,應(yīng)力水平較低,沒有列出。
表5 最大靜載工況計算結(jié)果(單位:MPa)
表6 制動工況計算結(jié)果(單位:MPa)
表7 轉(zhuǎn)向工況計算結(jié)果(單位:MPa)
圖5為板簧總成的位移分布圖。從圖中Z向位移分布圖中可以看出,中央位移最大為67.6 mm,總載荷為10.343 kN,得到有限元計算結(jié)果剛度為K=F/D=10 343 N/67.6 mm=153 N/mm。
圖5 板簧總成的位移分布圖
制訂工藝方案時,進行了相應(yīng)的工藝成型方法對比研究。根據(jù)成熟的制造工藝,進行了包括RTM、熱壓罐成型、模壓成型的對比工藝試驗研究。經(jīng)過前期成本、成型質(zhì)量、制造效率等綜合比較,采用了模壓成型工藝,材料選擇快速固化材料,固化溫度130℃,固化壓力3 MPa,固化時間30 min。
試驗所得板簧平均剛度為148 N/mm,有限元計算剛度為153 N/mm。圖6為剛度試驗結(jié)果。
圖6 剛度試驗結(jié)果(位移-載荷)
圖7 臺架試驗
從圖6可以看出,剛度計算結(jié)果與試驗結(jié)果相差約3.3%,剛度相差不大。
以3 Hz頻率對板簧樣品進行循環(huán)加載,最大載荷16 550 N,最小載荷3 422 N,進行了3根板簧的疲勞試驗,臺架試驗如圖7所示。
根據(jù)樣件的臺架試驗結(jié)果,復合材料板簧剛度的有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果匹配良好。疲勞試驗達到100萬次無破壞,剛度損失未超過1%.