碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧力學(xué)特性分析

徐景霞

(中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院， 河南 鄭州 450007)

鋼板彈簧是汽車非獨(dú)立懸架系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，它由若干片等寬不等長(zhǎng)的合金彈簧片組合而成，是汽車主要的高負(fù)荷安全保障部件，一般由彈簧鋼板、彈簧夾、中心螺栓、騎馬螺栓等四部分組成[1-4]。隨著環(huán)保要求的提高，重量較大的傳統(tǒng)鋼板彈簧由于能耗高、內(nèi)部應(yīng)力過大，已越來越無法滿足現(xiàn)代汽車行業(yè)的要求及標(biāo)準(zhǔn)。為了解決這一問題，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開始對(duì)板簧的材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。吳輝等通過臺(tái)架試驗(yàn)方法研制玻璃纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料鋼板彈簧，與傳統(tǒng)鋼板彈簧相比，復(fù)合材料板簧具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、疲勞壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，但是這種復(fù)合材料是通過化學(xué)方法制備的，板簧材料脆性比較大[5]。SIDDARAMANNA等研制了玻璃纖維/環(huán)氧樹脂膠復(fù)合鋼板彈簧，并利用ANSYS仿真分析技術(shù)對(duì)該板簧的內(nèi)部應(yīng)力分布進(jìn)行了分析，得出相同內(nèi)部應(yīng)力下，復(fù)合板簧的重量比傳統(tǒng)鋼板彈簧低85%[6]。碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧是通過機(jī)械的方式將傳統(tǒng)板簧與碳纖維粘接在一起，這種方式既克服了傳統(tǒng)板簧質(zhì)量重、應(yīng)力大的缺點(diǎn)，又克服了復(fù)合材料板簧脆性大的弊端[7]。本文運(yùn)用環(huán)氧樹脂膠將碳纖維層粘貼在鋼板彈簧片簧凹面上，構(gòu)成碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧，主要采用數(shù)值仿真技術(shù)對(duì)碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的內(nèi)部應(yīng)力與剛度進(jìn)行有限元分析，并與傳統(tǒng)鋼板彈簧的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。

1 碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧有限元模型

1.1 碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧模型

碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧主要由兩片鋼板彈簧片與碳纖維層組合而成，碳纖維層通過環(huán)氧樹脂膠粘貼到簧片1的凹面上。在建立三維模型時(shí)，需要在保證模型正確的前提下，忽略對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果影響較小的零部件，比如尼龍墊片、螺栓等，從而簡(jiǎn)化仿真計(jì)算過程。根據(jù)碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)(見表1)，利用SolidWorks軟件對(duì)其建立物理模型，模型兩端卷耳孔半徑為30 mm，如圖1所示。

表1 碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 材料定義與網(wǎng)格劃分

本文運(yùn)用有限元軟件ANSYS對(duì)碳纖維層加固的鋼板彈簧進(jìn)行非線性分析，這與傳統(tǒng)鋼板彈簧有限元分析在基本方法與基本原理上都是相同的。但是，由于碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧中增加了碳纖維與環(huán)氧樹脂膠這些成分，在建立有限元模型時(shí)，必須按照它們的不同特點(diǎn)分別對(duì)其屬性進(jìn)行定義及單元?jiǎng)澐帧?/p>

1.2.1 材料屬性

碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧總成中的兩片簧片與傳統(tǒng)簧片的材料屬性一致，其材料屬性進(jìn)行定義如下：使簧片的材料為65CrVa，密度為7.85 g/cm3，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.3。

碳纖維層是由碳纖維絲組成，它是一種各向異性的彈性材料，材料屬性如表2所示。

表2 碳纖維的材料屬性

膠層是由環(huán)氧樹脂膠組成。環(huán)氧樹脂是一種各向同性材料，其彈性模量為1 000 MPa，泊松比為0.3，密度為2 g/cm3。

1.2.2 網(wǎng)格劃分

(1) 碳纖維層。目前，用于鋼板彈簧加固的碳纖維布按照碳纖維布絲的方向可分為單向碳纖維布與雙向碳纖維布。單向碳纖維布一般都是在徑向上有大量的碳纖維絲，同時(shí)在緯向上只有很少量的碳纖維絲，這樣的結(jié)構(gòu)就造成了它的全部強(qiáng)度都集中到一個(gè)方向上(徑向上)。這種單向碳纖維布操作起來比較方便，而且用這種單向碳纖維布制作復(fù)合材料的時(shí)候也不容易造成應(yīng)力集中，能夠保證高強(qiáng)度，已被廣泛應(yīng)用在各種工程領(lǐng)域。本文就是運(yùn)用單向碳纖維布來研究加固的鋼板彈簧的力學(xué)特性。在有限元分析軟件ANSYS中，對(duì)碳纖維層采用Shell41單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格單元數(shù)為11 860。Shell41單元上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有6個(gè)自由度，分別是X、Y、Z軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)，它同時(shí)也適應(yīng)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大變形量的情形，這種特性能夠比較好地模擬碳纖維單向受力的特點(diǎn)。

(2) 膠層。因?yàn)槟z層屬于各向同性材料，所以對(duì)于膠層的網(wǎng)格劃分采用各向同性單元Solid45，對(duì)膠層做理想線彈性處理。在數(shù)值仿真計(jì)算中，網(wǎng)格數(shù)量影響仿真的計(jì)算效率及仿真結(jié)果。在碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧中，膠層比較薄，只需將膠層劃分一層網(wǎng)格即可。

2 仿真分析

2.1 靜力學(xué)仿真

為了更深入地分析碳纖維增強(qiáng)板簧的應(yīng)力分布以及剛度特性，現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)板簧與碳纖維增強(qiáng)板簧分別進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)分析。對(duì)板簧施加不同的載荷，選用8個(gè)載荷步進(jìn)行逐級(jí)加載，各級(jí)載荷分別為600 N、1 200 N、1 800 N、2 400 N、3 000 N、3 600 N、4 200 N、4 800 N。通過ANSYS仿真模擬分析，可得到兩種鋼板彈簧的等效應(yīng)力分布云圖(見圖2、圖3)。

圖2 靜態(tài)載荷下碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧等效應(yīng)力分布云圖

圖3 靜態(tài)載荷下傳統(tǒng)鋼板彈簧等效應(yīng)力分布云圖

沿主簧片表面由中部向片端方向創(chuàng)建路徑，如圖4 所示。

圖4 板簧應(yīng)力分析路徑

根據(jù)圖2與圖3的分析結(jié)果，分別提取截面1-截面2的內(nèi)部應(yīng)力，并繪制出兩種板簧相應(yīng)的路徑內(nèi)部等效應(yīng)力分布圖，如圖5所示。

圖5 靜態(tài)載荷下截面1-截面2等效應(yīng)力分布圖

從圖5可以看出，當(dāng)施加相同靜態(tài)載荷時(shí)，碳纖維增強(qiáng)板簧的內(nèi)部應(yīng)力小于傳統(tǒng)板簧的內(nèi)部應(yīng)力，兩種板簧的應(yīng)力分布均是由中部向片端逐漸減小。

通過不同載荷下Y方向的最大位移來研究?jī)煞N鋼板彈簧的靜態(tài)剛度特性。表3為兩種板簧各載荷步與相應(yīng)垂直方向上的位移變形量。

表3 兩種鋼板彈簧各級(jí)載荷下的最大變形量

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)，繪制出兩種鋼板彈簧靜態(tài)載荷-位移的變化趨勢(shì)，如圖6所示。

圖6 兩種鋼板彈簧的靜態(tài)載荷-位移關(guān)系圖

由圖6可以看出，碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧與傳統(tǒng)鋼板彈簧的位移變形量和載荷的變化趨勢(shì)成線性分布，經(jīng)過擬合，可分別得出線性擬合方程。

y=0.002 9x+0.222

( 1 )

y=0.003x+0.128

( 2 )

其中:y為位移變形量，x為施加載荷。式(1)為碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧剛度擬合方程，式(2)為傳統(tǒng)鋼板彈簧剛度擬合方程。

結(jié)構(gòu)剛度為載荷的變化量除以位移的變化量。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多次求平均、優(yōu)化，可得碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的剛度為342.5 N/mm，傳統(tǒng)鋼板彈簧的剛度為324 N/mm。碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的靜態(tài)剛度值大于傳統(tǒng)鋼板彈簧的靜態(tài)剛度值，這是因?yàn)樵谙嗤r下，碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧變形較小，剛度值變大，舒適性也有所增加。

2.2 動(dòng)力學(xué)仿真

在對(duì)碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧和傳統(tǒng)鋼板彈簧進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，需要模擬鋼板彈簧在汽車上的實(shí)際安裝工況，對(duì)其進(jìn)行約束加載。汽車鋼板彈簧是通過主簧兩端的卷耳與車架上的吊耳連接，板簧的中部通過U型螺栓固定在車橋上。為了增強(qiáng)數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確性，該模型在ANSYS中的約束設(shè)置和加載方式為：首先在板簧的螺栓孔上施加圓柱面的約束，使其軸向自由變形，約束徑向和切向的變形為0，在板簧的兩端處分別使Y方向的位移為0，使其在X方向自由變形，且兩端處繞Z軸能夠自由旋轉(zhuǎn)；然后在板簧的寬度方向設(shè)置位移約束為0，在最短板簧凸面一側(cè)的平直部位設(shè)置固定約束；最后在板簧最上端片簧的中部施加垂直方向的集中載荷，這樣就可以模擬板簧的實(shí)際加載過程。在實(shí)際的鋼板彈簧臺(tái)架試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)載荷都是以正弦激勵(lì)的方式施加的，所以在鋼板彈簧動(dòng)態(tài)仿真分析中，載荷也必須以正弦激勵(lì)的方式施加到板簧總成上部的中間部位，表達(dá)式為F=2 000sin(πt)+5 000。通過數(shù)值仿真分析，可以得到兩種鋼板彈簧受正弦激勵(lì)時(shí)的等效應(yīng)力分布云圖(見圖7、圖8)。

圖7 動(dòng)態(tài)載荷下碳纖維增強(qiáng)剛板彈簧等效應(yīng)力分布云圖

圖8 動(dòng)態(tài)載荷下傳統(tǒng)鋼板彈簧等效應(yīng)力分布云圖

從圖7、圖8可以看出，碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的等效應(yīng)力分布與傳統(tǒng)鋼板彈簧應(yīng)力分布一致，即從板簧片端到板簧中部，內(nèi)部等效應(yīng)力呈現(xiàn)由小變大的趨勢(shì)。

為了便于分析板簧內(nèi)部的等效應(yīng)力分布，按圖4所示方法創(chuàng)建路徑，提取路徑上的應(yīng)力，并繪制動(dòng)態(tài)載荷下兩種板簧相應(yīng)的路徑內(nèi)部應(yīng)力分布圖，如圖9所示。

圖9 動(dòng)態(tài)載荷下截面1-截面2內(nèi)部應(yīng)力分布圖

由圖9可以看出，在正弦激勵(lì)下，碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的內(nèi)部應(yīng)力小于傳統(tǒng)鋼板板簧。

利用動(dòng)態(tài)仿真分析所得位移數(shù)據(jù)，可分別繪制傳統(tǒng)鋼板彈簧與碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性曲線，如圖10、圖11所示。

由圖10、圖11可以看出，兩種板簧的加載曲線與卸載曲線不重合，說明板簧片間摩擦?xí)哪芰?，產(chǎn)生遲滯現(xiàn)象。通過對(duì)碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧與傳統(tǒng)鋼板彈簧剛度特性曲線進(jìn)行線性擬合，可以得出兩種板簧在動(dòng)態(tài)載荷下的平均剛度值分別為315 N/mm與279 N/mm。碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的平均剛度值較大，其在動(dòng)態(tài)載荷下抵抗變形的能力較強(qiáng)。

圖10 傳統(tǒng)鋼板彈簧的剛度特性曲線圖

圖11 碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的剛度特性曲線圖

3 結(jié)論

本文運(yùn)用數(shù)值仿真軟件ANSYS分別分析了碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧和傳統(tǒng)鋼板彈簧的力學(xué)性能，根據(jù)仿真結(jié)果，可得出如下結(jié)論：

(1) 碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧的應(yīng)力分布規(guī)律與傳統(tǒng)鋼板彈簧一致，均由板簧中部向片端逐漸減小。

(2) 在相同工況下，碳纖維增強(qiáng)鋼板彈簧內(nèi)部應(yīng)力比傳統(tǒng)鋼板彈簧小，而剛度值比傳統(tǒng)鋼板彈簧大。