三段式渐变刚度钢板弹簧的CAE分析与研究

摘要

钢板弹簧是汽车非独立悬挂装置中常用的一种弹性元件。三段式渐变刚度钢板弹簧是目前悬架刚度曲线与悬架理想刚度曲线最接近的钢板弹簧悬架，正在被推广使用，而且随着渐变刚度钢板弹簧生产工艺的发展，它的使用范围正在不断扩大。本文在对三段式渐变刚度钢板弹簧基于接触摩擦的有限元分析的基础上，对其性能模拟分析研究。
　　 本文首先利用厂方提供的板簧参数，根据该型号三段式渐变刚度钢板弹簧的三维尺寸、曲率半径和自由弧高等设计参数，使用UG建立每一片钢板弹簧簧片的三维实体模型，并对各片空间位置进行初步定位。
　　 其次，对建成的钢板弹簧三维模型，利用HyperMesh软件进行映射网格划分，并在两簧片的接触区域生成ANSYS软件所提供的接触单元，建立起三段式渐变刚度钢板弹簧的有限元模型。通过适当的特性选取，模拟簧片间的非线性接触摩擦；模拟装配夹紧过程施加的载荷约束，并计算该过程中钢板弹簧内部产生的预应力；模拟三段式渐变刚度钢板弹簧悬架弹性特性试验，计算得出装配后钢板弹簧悬架的刚度曲线，并与实际试验结果比较，确定计算刚度的正确性。
　　 最后，利用材料的S-N曲线，并考虑钢板弹簧实际的零部件特征对其疲劳寿命的影响，利用ANSYS/Fatigue模块进行疲劳计算，确定出钢板弹簧的疲劳危险区域以及疲劳寿命。根据机械振动学原理，对钢板弹簧进行阻尼特性仿真分析，计算出该型号三段式渐变刚度钢板弹簧悬架的阻尼比，为减振器设计提供参考意见。
　　 本文基于接触摩擦的有限元法，对某型号三段式渐变刚度钢板弹簧进行刚度、疲劳寿命和阻尼的仿真分析，并将计算结果与试验结果进行对比。研究表明，基于接触摩擦的有限元法在钢板弹簧悬架特性分析中有很高的准确性，对实体模型采用疲劳寿命的S-N曲线法计算能定性的预测出疲劳破坏发生的区域及结构的疲劳寿命，在实际应用中可以缩短开发周期，减少设计试验成本，有很高的实用价值。