基于Midas NFX的無(wú)軌膠輪車板簧剛度分析

王登化，鄒美群

（1.常州科研試制中心有限公司 無(wú)軌裝備研究所，江蘇 常州 213023；2.江西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦機(jī)研究室，江西 南昌 330013；3.江西師范大學(xué) 教師教育處，江西 南昌 330022）

鋼板彈簧作為工程車和輕型汽車重要彈性元件，不僅要承受作用在不同方向的力（垂直、側(cè)向和縱向），還要承受原地起步和制動(dòng)時(shí)的扭矩。此外，還能使作用力合理的分布在車架和車身上，并能保證懸架彈性的漸進(jìn)性。橫向布置鋼板彈簧能提高車身在轉(zhuǎn)彎時(shí)的穩(wěn)定性。鋼板彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低廉、維修方便，既是懸架的彈性元件，又是懸架的導(dǎo)向裝置。其一端與車架鉸接，可以傳遞各種力和力矩，并決定車輪的跳動(dòng)軌跡。同時(shí)，也有一定的摩擦減震作用，因此，廣泛用于在許多惡劣的使用環(huán)境中的非獨(dú)立懸架。

和其他輕型汽車鋼板彈簧不同，無(wú)軌膠輪車用鋼板彈簧在工作過(guò)程中，不僅葉片間存在摩擦滑動(dòng)接觸，而且第九和第七葉片與上面壓塊和下面銷軸兩個(gè)圓柱面也有摩擦雙向滑動(dòng)接觸。本研究應(yīng)用Midas NFX有限元分析工具對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行非線性有限元分析，圖1為鋼板彈簧在無(wú)軌膠輪車上的應(yīng)用情況。

1 鋼板彈簧的有限元建模

本文研究的彈簧由9片葉片構(gòu)成。采用Pro/E進(jìn)行實(shí)體建模，并應(yīng)用Midas NFX進(jìn)行有限元前處理，簧片采用6面體單元形式。按最大滿載工況開(kāi)始建模：省略騎馬螺栓和彈簧夾，保留壓塊和銷軸，板簧材質(zhì)為60Si2Mn，其屈服極限為1 100 MPa，抗拉強(qiáng)度為1 276 MPa，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，板簧間摩擦系數(shù)按0.15計(jì)算，幾何模型如圖2所示。

有限元分析的關(guān)鍵步驟是模型簡(jiǎn)化及處理。在鋼板彈簧分析中，模型簡(jiǎn)化主要包括中間螺栓連接和彈簧夾連接、葉片間的接觸、銷軸與葉片接觸及壓塊與葉片接觸可分別用NFX里的螺栓單元、焊接接觸和雙向滑動(dòng)接觸處理。中心螺栓和彈簧夾主要起到連接和固定葉片作用，可以通過(guò)設(shè)置各相鄰葉片共節(jié)點(diǎn)來(lái)簡(jiǎn)化模型。建好的有限元分析（Finite Element Analysis, FEA）模型如圖3所示。

板簧簧片間接觸關(guān)系近似為焊接接觸關(guān)系，板簧與壓塊及銷軸之間為滑動(dòng)接觸。滑動(dòng)摩擦使用庫(kù)倫摩擦模型，接觸參數(shù)設(shè)置如下：焊接接觸法向剛度比例因子設(shè)置為1，雙向滑動(dòng)接觸法向剛度比例因子設(shè)置為0.1，如圖4、圖5所示。

手動(dòng)設(shè)置接觸對(duì)，生成接觸單元：8個(gè)鋼板焊接接觸對(duì)和2個(gè)雙向滑動(dòng)接觸對(duì)，即壓塊與鋼板7雙向滑動(dòng)接觸對(duì)及銷軸與鋼板9雙向滑動(dòng)接觸對(duì)。設(shè)置好接觸的FEA模型如圖6所示。

2 約束和加載

鋼板彈簧在工作過(guò)程中前卷耳繞中心點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，后半卷耳在上面壓塊和下面銷軸兩個(gè)圓柱面之間接觸摩擦滑動(dòng)，所以前卷耳先建立節(jié)點(diǎn)再建立剛體單元（RBE2）來(lái)定義鉸接約束，約束除轉(zhuǎn)動(dòng)外的其他5個(gè)自由度，壓塊和銷軸分別按固定約束和約束轉(zhuǎn)動(dòng)定義，建好的約束如圖7所示。載荷按靜態(tài)載荷3.3×10N加載，施加在頂面板簧與車橋接觸的部位，如圖8所示。

3 非線性計(jì)算和結(jié)果分析

考慮到接觸非線性與鋼板彈簧剛度變形相對(duì)本身結(jié)構(gòu)尺寸屬于大變形，故使用非線性靜態(tài)計(jì)算工況。其非線性收斂計(jì)算準(zhǔn)則參數(shù)設(shè)置如圖9所示，勾選大變形、使用位移、載荷收斂準(zhǔn)則，使用20個(gè)增量步進(jìn)行計(jì)算。

得到在不同加載時(shí)板簧的變形情況，并與試驗(yàn)分析進(jìn)行對(duì)比，得到的剛度結(jié)果對(duì)比如表1、表2所示，鋼板彈簧的剛度實(shí)驗(yàn)裝置如圖10所示。

從上述數(shù)據(jù)分析中可以得出，實(shí)驗(yàn)得到鋼板彈簧的總成剛度為899.7 N/mm，仿真得到的總成剛度為881.3 N/mm，誤差為2.05%；仿真得到的不同載荷作用下的剛度值與試驗(yàn)測(cè)定的剛度值誤差控制在5%之內(nèi)，符合鋼板彈簧國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的10%的誤差范圍之內(nèi)，也驗(yàn)證了仿真模型與數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

通過(guò)Midas NFX對(duì)鋼板彈簧接觸非線性有限元分析，計(jì)算出了鋼板彈簧的剛度變形和應(yīng)力數(shù)據(jù)，得到剛度曲線并和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，驗(yàn)證Midas NFX非線性有限元分析有效性，為后期鋼板彈簧在無(wú)軌膠輪車中的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

與其它鋼板彈簧不同，本文中使用的鋼板彈簧為一端約束，一端滑動(dòng)的約束狀態(tài)，為這類板簧的性能分析提供了有效的方法和經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)相關(guān)性能的分析提供參考。