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基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析


基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析
福建农林大学机电工程学院徐建全郑永陈铭年
[摘要] 采用APDL参数化有限元分析技术,对某轻型载货汽车的前钢板弹簧进行参数化建模。应用ANSY¥软件的非线性模块,

考虑钢板弹簧实际工作过程中的大变形、片间接触和摩擦等多种非线性因素,建立了钢板弹簧的有限元模型,得到了钢板弹 簧在不同载荷作用下的变形和

应力分布。

[关键宇】

钢板弹簧;有限元分析;ANSYS;接触单元 采用ANSYS软件的APDL参数化有限元分析技术,对 钢板弹簧进行参数化建模∽,射。生成的几何模型如图l所示。

引言 钢板弹簧是历史最悠久的汽车部件之一,它结构简单、 保养维修方便、制造成本低,与其它弹性元件比较,不仅起 着弹性元件的作用.而且也能起着导向元件的作用,并且能 传递各种力和力矩,其片问的接触、摩擦在弹簧振动时还将 起到阻尼的作用。因此是目前汽车悬架特别是货车悬架广泛 采用的一种弹性元件【ll。 长期以来,用于刚度计算及应力分析的方法主要有两种: 共同曲率法和集中载荷法。前者假设板簧受载后各簧片在同 一截面上都具有相同的曲率,后者假设板簧各片仅在端部相 互接触。但这两种假设都与实际不完全相符。因此计算结果和 实际相差较大阿】。本文应用ANSYS有限元软件对钢板弹簧 进行有限元分析,应用点.面接触单元划分板簧片之间可能的 接触面,对板簧两端的卷耳、中心螺栓和u型螺栓的约束做 了合理的模拟,尽可能的按照实际受载情况对钢板弹簧加载。 计算的结果与实际的更加接近。


图1

钢板弹簧的有限元几何模型

1.2钢板弹簧的材料属性 在几何模型建立后进行材料属性的定义,钢板弹簧的材 料为60CrMnBa,弹性模量为2.05x 105 MPa.泊松比为0.3。
屈服极限为l 100 MPa,抗拉强度为1 250 MPa。

1.3钢板弹簧的网格划分 采用ANSYS软件中的SOLID95实体单元进行网格划 分,它是SOLID45(3维8节点)高阶单元形式,此单元能够 容许不规则形状,并且不会降低精确性,特别适合边界为曲 线的模型;同时。其偏移形状的兼容性好,SOLID95有20 个节点,每个节点有3个自由度(XY,Z方向),此单元在空间 的方位任意,具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变

钢板弹簧的有限元建模


1.1钢板弹簧有限元几何模型的建立

本文所分析的某轻型载货汽车的前钢板弹簧由10片板 簧组成,具体尺寸如表1所示。其中,片宽都是70mm,第 l与第2片厚度为8 mm,第3片到第10片厚度为7
表1钢板弹簧的尺寸
mm。

形以及大应变的能力。在非线性有限元计算中,需要耗费大 嚣的资源,所以在保证精度的前提下,钢板弹簧的单元应尽 可能的少,本文的钢板弹簧划分为l 066个SOLID95单元与


203个节点。网格划分后的钢板弹簧模型如图2所示。

图2钢板弹簧网格划分图

1.4钢板弹簧的片间接触单元的建立 在钢板弹簧的片与片之间,因为接触与否事先未知,而

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且接触后存在着滑移,所以在片与片的节点间建立接触单元, 模拟片间的作用力。在ANSYS中.接触单元是覆盖在分析 模型接触面之上的一层单元.主要通过识别接触对与生成接 触单元,设置单元关键字和实常数来创建。利用接触单元可 以跟踪接触位置、保证接触协调性防止接触表面相互穿透; 并在接触表面之间传递接触应力(正压力和摩擦力)[71。本义选 用的接触单元分别是TARGEi70(三维目标单元)与 CONTAl74(i维8节点面与面接触单元)。CONTAl74单 元与SOLID95单元都带有中间节点,这样有助于接触对的收 敛。本义单元的实常数采用默认值。摩擦采用库仑模型,钢 板弹簧之间的摩擦系数取O.2。图3为接触区域的示意图,共 1455个接触单元。 2结果与分析 将钢板弹簧主片上中心孔的一点在Y方向的位移鼓作为 板簧变形的挠度。计算出载荷步二的f|.个子步的挠度数据如 表2所示,经计算钢板弹簧的平均刚度为107.4 N/mm大于
额定刚度76.6 N/mm.满足刚度要求。随着载荷的增大。钢 图5模型加载

板弹簧的刚度值有非常缓慢减小的趋势,这是由于钢板弹簧 在承载的变形过程中,存在几何大变形,使钢板弹簧刚度值 随其曲率半径的增大而减小,即存在一定的几何非线性。满 载下钢板弹簧的变形和最大米塞斯应力云图。如图6所示,
最大应力SMX=869 MPa小于许用应力,满足强度要求。 图3接触区域的示意图 表2钢板弹簧的挠度
载荷/N 挠度/mm
E 疆 ::!

1.5中心螺栓与U型螺栓及卷耳约束模型的建立
在中心螺栓的作用区域内,钢板弹簧各片都被压紧,冈


● 2

此可以认为各片之间没有相对滑移。所以。可以把钢板弹簧 各片在中心孑L上的坐标相同的节点的的z、Y、Z方向的自由 度耦合起来,以此来模拟中心螺栓的约束。在u型螺栓的作 用下。各片在u型螺栓内的部分被压乎。通过在建模过程中 将u型螺栓内的部分变平来模拟u型螺栓的作用。卷耳的约 束方法是将卷耳内加入一个弹性模链比板簧材料小的圆柱 体。把它与卷耳相互粘接起来。在固定卷耳的一端,把圆柱 体中轴线上的节点在x、Y、z方向的自由度都加以约束。在 浮动卷耳的一端,只约束圆柱体中轴线上节点在Y,z方向的 自由度【6’71。约束模型如图4所示。 1.6模型的加裁 钢板弹簧的有限元模型加载分2个载荷步进行:第1个 载荷步中载荷为0,以得到只有中心螺栓和U型螺栓约束时, 各片在装配状态下的变形与应力,第2个载荷步模拟加载过 程。本文分lO个子步加载,满载为7
模型的加载如图5所示。
000 N,方向垂直向上。

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4∞ 9昭 5%


3 4 4

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图6满载下钢板弹簧的变形和VonMi Se¥等效应力云图

4结语 本文采用ANSYS软件的APDL参数化建模,通过对lO
图4钢板弹簧约束

片钢板弹簧的非线性有限元分析,得出了钢板弹簧的挠度和 应力数据,进行了刚度和强度分析,为钢板弹簧的改进设计
奠定了基础。

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647-650.

参考文献:
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Finite

Element Analysis ofAutomobile LeafSpring

Based

on

ANSYS

Xu Jianquan.Zheng

Yong,Chen Mingnian Engineering。Fujian
Agricultural

【3】郑银环,张仲甫.ANSYS接触分析在钢板弹簧设计巾的应用【J】.武汉理工 大学学报:信息与管理工程版,2009。31(5):752.754. 【4】博弈创作窒.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例【M】.北京:中国 水利水电出版社,2004. 【5】龚曙光,谢桂兰,黄云清.ANSYS参数化编程与命令手册【M】,北京:机械工 业出版社.2009. 【61涂敏.汽车钢板弹簧有限元分【M】析.北京:清华大学2003, 【7】t霄锋,涂敏.汽车钢板弹簧的应力和变形分析【J】.机械强度,2005,27(5):

(College

of Mechanical and Electrical

and

Forestry University,Fuzhou Abstract:A

350002.China)
leaf spring is

pammeterization model of light-duty truck’S front

built by the APDL.On account

oflarge deformation,interleafcontact and friction finite
on

under

actual working process,a

element

model of the leaf spring
element.The

is

built

using the ANSYS software

based

nonlinear finite

deformation

and

stress

distribution under different loads were obtained.
element

Keywords:leafspring;finite

analysis;ANSYS;contact

elemem

(上接第140页) 3结语 本文以UG和ANSYS软件为平台,利用有限元分析技 术考虑了钢板弹簧大变形,片间接触摩擦等非线性因素,建 立了钢板板簧的非线性有限元模型,可以迅速的得出悬架的 刚度和强度性能,为多片等截面钢板弹簧的精益设计提供了 参考作用,提高设计效率,降低开发成本。

【5】谷安涛.应用CAE技术进行钢板弹簧精确设计【J】.汽车工程,2002,24(I):
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【6】郭洪强,李衡,郭世永.汽车钢板弹簧的接触有限元分析【J】.湖北汽车工 业学院学报2006’20(2):1l—13.
AnalysisofMechanicalPropertiesofAutomobileTaperLeaf SpHn擎Based Zhu Jianbao (Automobile Communications
Operation
on

CAD/CAE

and

Engineering

Machinery

Department,Fujian

Technology College,Fuzhou nonlinear

350007,China)
ofthe

参考文献:
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taper

Abstract:A

finite

element analysis(FEA)model
UG

optimum

leaf spring is

built

using

the

and ANSYS,which deals with large
simultaneously.The

deformation,interleaf friction

and

contact based

performance

of

strength and

stiffness

are

obtained

on

non—FEM simulation analysis.It is

indicated that the results∞n improve the design ofleafspring. Keywords:computeraideddesign(CAD)/computeraided engineering(CAE);
leafspring;performance analysis

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基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析
作者: 作者单位: 徐建全, 郑永, 陈铭年 福建农林大学机电工程学院

本文读者也读过(5条) 1. 任建民.赵斌.REN Jian-min.ZHAO Bin 往复式活塞压缩机活塞的温度场仿真研究[期刊论文]-煤矿机械 2011,32(8) 2. 丁财进.刘杰.聂忠义.刘俊香 带式输送机传动滚筒的有限元分析[期刊论文]-煤炭工程2004(12) 3. 徐建全.郑永.陈铭年.Xu Jianquan.Zheng Yong.Chen Mingnian 基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析[期刊论 文]-海峡科学2010(12) 4. 刘哲.陈定方.陆忠华 基于ANSYS的渐开线齿轮建模和有限元分析[会议论文]-2008 5. 朱明润 南顺南水闸三维有限元静力分析和动力响应分析研究[学位论文]2011

引用本文格式:徐建全.郑永.陈铭年 基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析[会议论文] 2010


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