基于A N SY S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A PD L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A N SY S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。
[关键字]钢板弹簧；有限元分析；A N SY S；接触单元
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，其片间的接触、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[1]。
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[2-3]。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。
1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1与第2片厚度为8mm，第3片到第10片厚度为7mm。
表1钢板弹簧的尺寸
片数厚度/mm宽度/mm长度/mm
第1片8701140
第2片8701140
第3片7701030
第4片770920
第5片770810
第6片770700
第7片770590
第8片770480
第9片770370
第10片770260
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[4,5,8]。生成的几何模型如图1
所示。
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2.05×105MPa，泊松比为0.3，屈服极限为1100MPa，抗拉强度为1250MPa。
1.3钢板弹簧的网格划分
汽车的采用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(X,Y,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、大变形以及大应变的能力。在非线性有限元计算中，需要耗费大量的资源，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1066个SOLID95单元与8203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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研究论文
H A I X I A K E X U E
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3海峡科学
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)[7]
。本文选用的接触单元分别是TARGE170（三维目标单元）与CONTA174（三维8节点面与面接触单元）。CONTA174单元与SOLID95单元都带有中间节点，这样有助于接触对的收敛。本文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0.2。图3为接触区域的示意图，共1455
个接触单元。
图3接触区域的示意图
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，因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孔上的坐标相同的节点的的x 、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平，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量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
[6,7]
。约束模型如图4所示。
1.6模型的加载
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10个子步加载，满载为7000N ，方向垂直向上。模型的加载如图5
所示。
图4
钢板弹簧约束
图5模型加载
2结果与分析
将钢板弹簧主片上中心孔的一点在y 方向的位移量作为
板簧变形的挠度。计算出载荷步二的十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107.4N/mm 大于额定刚度76.6N/mm ，满足刚度要求。随着载荷的增大，钢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S MX=869MPa 小于许用应力，满足强度要求。
表2
钢板弹簧的挠度
载荷/N 挠度/mm 700  6.382140012.872210019.407280025.983350032.596420039.239490045.906560052.594630059.2957000
66.003
图6满载下钢板弹簧的变形和V onM i s es 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10
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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基于A N SY S的汽车钢板弹簧有限元分析
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Finit e Elem ent Analysis of Aut om ob ile Leaf Spring Based on ANSYS
Xu Jianquan，Zheng Yong，Chen Mingni an
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Fujian Agricultural and Forestry University，Fuzhou350002，Chi na)
Abstr act:A paramet erization model of light-duty truck’s front l eaf spring is built by the APDL.On account of large deformation,interleaf contact and friction under actual working process,a finite element model of the leaf spring is bui lt using t he ANSYS software based on nonlinear finite element.The deformation and stress distribut ion under different loads were obtained.
Keywor ds:leaf spring；finit e element analys i s；ANSYS；contact element
（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。
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Analys i s of M echanical Properti es of Aut omob ile Taper Leaf
Springs Based on CAD/CAE
Zhu Jianbao
(Automobile Operation and Engineering Machinery Department,Fuji an Communications Technology College,Fuzhou350007,China)
Abstr act：A nonlinear finite element analysis(FEA)model of the optimum taper leaf spring is built using the UG and ANSYS,which deals with large deformation,interleaf friction and contact simult aneous l y.The performance of strength and stiffness are obtained bas ed on non-FEM simulation analysi s.It is indicated that the results can i mprove the design of leaf spring.
Keywor ds：computer aided des i gn(CAD)/computer ai ded engineering(CAE); leaf spring;performance
analysis 1820101248
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