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钢板弹簧非线性有限元分析.doc

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钢板弹簧非线性有限元分析钢板弹簧非线性有限元分析 彭鹏峰1,许新权2,陈涛1 (1.长安大学 汽车学院,陕西 西安 710064;2. 长安大学 公路学院,陕西 西安 710064) 【摘 要】针对SX6122H汽车钢板弹簧后悬架,应用有限元分析软件ANSYS的非线性求解模块对其进行了考虑簧片间接触和摩擦的静态分析,并探讨接触单元的实常数FKN合适的取值以及摩擦对钢板弹簧结构应力的影响状况.研究结果对钢板弹簧悬架的设计开发具有一定的指导意义. 【关键词】钢板弹簧;有限元;接触单元 Abstract: Static analysis of the rear leaf spring of SX6122H vehicle was done by using nonlinear module of FEA program ANSYS which contact and friction between leafs were considered, and the suitable value of real constant FKN in contact element and the influence of friction on the structural stress of leaf spring were also discussed. The research result is helpful for the design and development of leaf spring. Key words: leaf spring; FEA; contact element 1 前言 钢板弹簧具有结构简单,工作可靠,价格低廉等优点,在汽车中被广泛地使用.它在工作过程中存在大变形,叶片间的接触等多种非线性因素,故多年来一直没有形成一个比较切合实际的完善的设计与分析方法.集中载荷法,共同曲率法等传统设计方法以线弹性理论为依据,把问题抽象为简单的数学,力学模型,并应用材料力学公式进行粗略计算,一般计算结果与实际情况差别较大[1].随着汽车向轻量化和高速化发展,对悬架的要求越来越高.显然,传统设计方法已经不能适应现代汽车发展对悬架的要求. 近年来,随着有限元技术,CAE技术的不断发展以及在工程中的成功应用,以计算机为工具,有限元分析为基础的CAE法正逐渐成为汽车设计的主流.应用CAE法进行钢板弹簧设计可以同时考虑到结构的大变形,摩擦,簧片间的接触以及组装时的预应力和工作应力的结合,从而实现对钢板弹簧的精确设计[2].因此本文利用有限元分析软件ANSYS的非线性求解模块,对SX6122H汽车钢板弹簧后悬架进行了考虑簧片间接触和摩擦的静态分析,并探索接触单元中实常数FKN合适的取值以及摩擦对钢板弹簧结构应力的影响状况. 2 有限元分析过程 SX6122H汽车后悬架由11 片钢板弹簧组成.在未装配而处于自由状态时,各片的曲率半径各不相同,而在散片夹紧总装后,它们只有一个曲率半径,故各片之间存在相互作用,会产生预应力.同时,钢板弹簧受载后,其静挠度和动挠度一般都达几十厘米,属于大变形几何非线性问题;另外在总装配以及加载过程中,各片之间的接触情况及相互作用随着总装配过程和加载过程而变化,这种边界条件的可变性和不可逆性称为边界非线性问题[3].因此钢板弹簧悬架的有限元分析属于非线性有限元分析. 2.1 钢板弹簧有限元模型的建立 在钢板弹簧的实际受载下,要求对其内部应力的准确计算,所以在其装配过程中产生的预应力不可忽略,因此应建立钢板弹簧自由状态下的模型.各片的初始几何尺寸如表1所示. 表1 钢板弹簧几何尺寸表 序 号 叶 片 长 度/mm 叶 片 厚 度/mm 单 片 曲 率 半 径/mm 单 片 弧 高/mm 1 1800 18 22307.5 18.15 2 1800 18 15059.6 26.89 3 1800 18 11366.5 35.63 4 1590 18 10125.0 31.20 5 1380 18 9855.9 24.15 6 1170 18 9358.4 18.28 7 960 16 8776.9 13.13 8 812 16 8333.1 10.00 9 664 16 7932.0 6.95 10 516 16 7567.8 4.40 11 306 18 7472.5 1.57 通过选择恰当的材料摩擦系数可以近似模拟尼龙垫片的表面状况,而且,选择合适的加载方式,忽略两端的卷耳对钢板弹簧实际应力状况影响较小.因此,出于简化的目的,建模时忽略了尼龙垫片和卷耳.基于钢板弹簧在几何形状及载荷上的特点,为减小计算规模,节省计算时间,按前后左右对称取1/4,采用GUI方式建模,最终的模型如图1所示. 图1 钢板弹簧自由状
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