微型客车的钢板弹簧结构优化及设计软件开发

摘要

钢板弹簧悬架是众多货车、客车以及微型客车悬架类型中比较常用的零部件系统，在工程应用中，悬架性能对提高汽车行驶的操稳性能、平顺性和安全性都起着关键的作用，而钢板弹簧的结构参数尺寸就成为取得这些性能的主要参数。因此，合理地确定钢板弹簧的性能、结构参数是整车设计水平的关键因素之一。
　　本文通过介绍微型客车常用的钢板弹簧类型，总结出现阶段微型客车上所采用的类型，并对少片变截面钢板弹簧以及渐变式的钢板弹簧进行了结构分析，从而利用数值积分方法推导出这两种钢板弹簧结构形式的截面形状系数。
　　分别对渐变式钢板弹簧和少片变截面钢板弹簧进行了片间作用的受力分析:根据假定的主副簧在其接触点处具有共同的坐标和共同的曲率这一原理，将多片的等截面簧进行等效，从而得出渐变刚度钢板弹簧的结构参数;针对少片变截面板簧，则根据弯曲变形理论中的“变形一致”原理求出板簧在受载荷后的挠度以及应力。
　　文中建立了微型客车开发过程中比较常用的少片变截面钢板弹簧优化的数学模型，并以弹簧结构轻量化为设计目标，利用内点罚函数优化方法，求解出最优化的目标值。编写内点罚函数法的MATLAB优化程序，对钢板弹簧进行优化设计计算，并将分析结果和ABAQUS分析结果进行比较，结果显示，优化结果不仅保持了钢板弹簧的计算精度，还可以提高钢板弹簧的计算效率。
　　文章最后考虑到了钢板弹簧设计过程及计算的特点和设计者的设计计算习惯，以MATLAB软件作为平台开发了钢板弹簧设计软件LSD(Leaf Spring Designer)，软件版本号为v1.0。该软件操作简单，用户界面友好，数据输入快捷方便，数据存取容易，计算结果可直接在屏幕上显示，也可以直接将优化设计结果输出打印为Word报告等。
　　综上所述，本文所具备的特点及创新点如下:所开发的钢板弹簧设计软件将设计步骤标准化，使钢板弹簧的设计开发更加快捷、高效，直接缩短旧板簧改进和新板簧开发周期，特别是在满足整车性能设计要求等方面的需求提供了指导依据。而且软件操作简单，对于新上岗的员工完全能够胜任。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钢板弹簧的发展概述

1．2．2 悬架板簧的计算方法及其研究概况

1．3 钢板弹簧设计方法

1．3．1 传统设计方法

1．3．2 基于CAE的辅助设计方法

1．3．3 钢板弹簧接触有限元计算方法

1．4 本文研究内容及创新点

第2章 变截面板簧的挠度计算方法

2．1 求解小挠度变形梁的力学方法

2．2 采用积分法分析变截面板簧模型

2．2．1 板簧常用轮廓线选用概述

2．2．2 梯形截面板簧弯曲变形计算

2．3 本章小结

第3章 钢板弹簧模型分析

3．1 渐变刚度钢板弹簧模型分析

3．1．1 模型概述

3．1．2 渐变刚度板簧的负荷特性

3．1．3 等截面的模型等效

3．1．4 板簧刚度和应力

3．2 少片变断面板簧模型分析

3．2．1 模型概述

3．2．2 板簧受力分析

3．2．3 板簧变形和刚度

3．3 非对称板簧的模型分析

3．4 计算实例与验证

3．5 本章小结

第4章 钢板弹簧的优化设计

4．1 最优化问题概述

4．2 板簧优化模型建立

4．2．1 设计变量的确定

4．2．2 目标函数的建立

4．2．3 约束条件的建立

4．3 求解最优化问题的方法

4．3．1 内点罚函数法的概述

4．3．2 内点法的迭代步骤

4．4 计算实例分析与验证

4．5 本章小结

第5章 钢板弹簧设计软件开发

5．1 钢板弹簧软件开发平台概述

5．2 软件主界面的设计开发

5．3 参数输入功能实现

5．4 计算功能实现及数据处理

5．5 优化功能模块

5．5．1 界面参数输入

5．5．2 优化执行过程及评价

5．5．3 边界约束的参数设置

5．5．4 算法选项设置

5．6 软件的封装

5．7 软件的测试与应用

5．7．1 软件测试的必要性

5．7．2 软件的应用及设计效率对比

5．8 本章小结

总结与展望

参考文献

附录A 优化算法关键程序

附录B 攻读学位期间发表的论文

致谢