任意截面鋼板彈簧剛度和強(qiáng)度的有限元分析

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1、任意截面鋼板彈簧剛度和強(qiáng)度的有限元分析馬建軍1嚴(yán)彥叢1丁能根21.安徽安凱汽車(chē)股份有限公司2.北京航空航天大學(xué)[摘要]鋼板彈簧懸架是貨車(chē)、客車(chē)等車(chē)輛中廣泛使用的一類(lèi)懸架。對(duì)于等截面葉片的普通鋼板彈簧懸架，采用材料力學(xué)的計(jì)算方法可以容易地確定其垂直剛度。但對(duì)于變截面葉片鋼板彈簧，懸架剛度和強(qiáng)度計(jì)算有效和可行的方法是采用有限元法。通過(guò)建立鋼板彈簧片與片之間的接觸單元，采用ANSYS有限元軟件分析任意截面鋼板彈簧垂直剛度和強(qiáng)度，并可以分析得到鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高。以安凱HFF6850客車(chē)前、后懸架鋼板彈簧為例，分析了其垂直剛度和強(qiáng)度。敘詞鋼板彈簧剛度有限元法一、引言對(duì)于貨

2、車(chē)、客車(chē)等車(chē)輛中廣泛使用的鋼板彈簧懸架，如何準(zhǔn)確地計(jì)算其垂直剛度和強(qiáng)度是該類(lèi)懸架設(shè)計(jì)時(shí)必須加以解決的問(wèn)題。由于鋼板彈簧懸架的垂直剛度直接影響到汽車(chē)的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等動(dòng)力學(xué)性能，研究鋼板彈簧懸架垂直剛度特性的計(jì)算方法具有較大的實(shí)際意義。對(duì)于各片為等截面、剛度不變的鋼板彈簧懸架，可采用共同曲率法和集中載荷法[1][2]計(jì)算其剛度。共同曲率法基于的假設(shè)是在任何負(fù)荷下彈簧彎曲時(shí)各片間都全面接觸，在同一截面上各片具有共同的曲率半徑。集中載荷法則假設(shè)各片之間只在端點(diǎn)接觸并傳遞載荷。這兩種計(jì)算方法是根據(jù)材料力學(xué)的理論得到的。然而，從材料的合理利用出發(fā)，實(shí)際使用的鋼板彈簧也有采用沿葉

3、片長(zhǎng)度方向大范圍內(nèi)的變截面結(jié)構(gòu)。另外，從獲得更好行駛平順性的要求出發(fā)，有時(shí)還將鋼板彈簧設(shè)計(jì)成漸變剛度的。為解決這兩類(lèi)鋼板彈簧的剛度計(jì)算問(wèn)題，必須尋找新的計(jì)算方法。有限元法為復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼板彈簧的剛度計(jì)算提供了新的分析手段，ANSYS等大型有限元軟件所提供的接觸單元可以解決鋼板彈簧等結(jié)構(gòu)分析時(shí)遇到的大變形和接觸非線性問(wèn)題。本文著重介紹采用ANSYS有限元軟件分析任意截面葉片鋼板彈簧的垂直剛度、總成在自由狀態(tài)下的弧高及不同垂直載荷下的應(yīng)力，并給出了安凱HFF6850客車(chē)前、后懸架鋼板彈簧的分析結(jié)果。二、幾何建模和單元生成圖1安凱HFF6850客車(chē)后懸架變截面鋼板彈簧實(shí)體幾何半模型采用

4、ANSYS的前處理直接生成幾何模型?？紤]到本文分析對(duì)象的沿片寬方向的對(duì)稱(chēng)性，所有模型只取一半分析。圖1是安凱HFF6850客車(chē)后懸架變截面鋼板彈簧實(shí)體幾何半模型，其中直角坐標(biāo)系xyz的x軸沿兩側(cè)吊耳中心點(diǎn)的連線方向，z軸沿板簧的片寬方向。從圖中可以看出，各片在同一側(cè)的端部存在干涉，這是各片自由狀態(tài)下曲率半徑不同的緣故。表1和圖2分別為該鋼板彈簧葉片的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和單端變截面示意圖。表1安凱HFF6850客車(chē)后懸架變截面鋼板彈簧葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)片號(hào)軋制前規(guī)格片長(zhǎng)弧高H曲率半徑R122×901500593690222×901500872505322×9015301072130422×

5、9015301271795圖2安凱HFF6850客車(chē)后懸架鋼板彈簧簧片變截面示意圖由于各片之間采用中心螺栓聯(lián)接且在鋼板彈簧的中部用U形騎馬螺栓將其夾緊在橋殼或橋體上，相鄰葉片在兩螺栓之間的部分采用ANSYS前處理中的GLUE命令將它們“粘”在一起。采用空間六面體八節(jié)點(diǎn)單元SOLID45。鋼板彈簧各片在兩U形螺栓之外的部分仍可相互接觸或分離。為此，采用ANSYS軟件中提供的點(diǎn)-面接觸單元CONTAC49。定義片間接觸單元采用以下步驟：圖3安凱HFF6850客車(chē)后懸架鋼板彈簧單元?jiǎng)澐謭D1）選用單元類(lèi)型CONTAC49；2）定義單元CONTAC49的法向接觸剛度等真實(shí)常數(shù)；3）將兩

6、個(gè)接觸表面上所有可能參與接觸的節(jié)點(diǎn)各定義為一個(gè)組件（即Component）；4）在所定義的組件之間生成接觸單元。所有接觸表面對(duì)的接觸單元生成后，即可確定載荷。圖3為安凱HFF6850客車(chē)前懸架等截面鋼板彈簧的單元圖，其中有654個(gè)SOLID45單元、7632個(gè)CONTAC49單元。三、載荷的確定和求解結(jié)果鋼板彈簧主片的兩端一般采用吊耳聯(lián)接，其中一端為固定吊耳，另一端為活動(dòng)吊耳。也有采用滑板式結(jié)構(gòu)代替活動(dòng)吊耳的。無(wú)論何種結(jié)構(gòu)，邊界位移都可按簡(jiǎn)支梁的支撐方式進(jìn)行約束。因此，在主片固定吊耳端沿片長(zhǎng)和片厚兩個(gè)方向分別施加x=0和y=0的約束；在另一端只沿片厚方向施加y=0的約束。在板

7、簧片寬方向，在左、右對(duì)稱(chēng)面（z=0）上各節(jié)點(diǎn)施加z=0的約束?？紤]到是計(jì)算鋼板彈簧的垂直剛度，在最下面一片的下表面U形螺栓夾緊范圍內(nèi)沿z的正方向作用一均布力。作用力的大小按滿載工況的1.5倍選取。由于鋼板彈簧在受力過(guò)程中產(chǎn)生大位移，將ANSYS靜力分析選項(xiàng)中的非線性（Nonlinear）選擇鈕打開(kāi)。為了獲得不同載荷下鋼板彈簧的變形和便于收斂，以分步加載的方式施加載荷，然后求解。將鋼板彈簧主片上表面中心點(diǎn)在y方向相對(duì)于載荷為0時(shí)的位移量作為鋼板彈簧的變形量。分析安凱HFF6850客車(chē)后懸架鋼板彈簧時(shí)，分兩