三轮汽车钢板弹簧的建模及仿真

联系人：山东五征集团三轮研究所张先航13562372601信箱：[e-mail]地址：山东省五莲县长青路23号五征集团三轮研究所（邮编：262300）三轮汽车钢板弹簧的建模及仿真张先航、王水焕、李建峰、丁友鹏、王善波（山东五征集团有限公司，262300）摘要在整车仿真分析中，钢板弹簧模型的建立一直是个难点，对于三轮汽车的整车仿真来说更是如此。为了建立比较精确的钢板弹簧模型，本文根据三轮汽车钢板弹簧的结构及受载特点,以多柔体系统动力学理论为基础,利用UG、Hyperworks与Adams建立了钢板弹簧的多柔体模型,并对其特性进行了仿真研究，然后将仿真结果与试验结果进行对比，验证了模型的正确性。关键词：三轮汽车，钢板弹簧，UG，Hyperworks，ADAMS1概述三轮汽车分为带传动与轴传动两类，由于轴传动三轮汽车的钢板弹簧与汽车的一致，并且关于汽车钢板弹簧的多刚体、多柔体建模在一些文献中多有论述，所以本文不再赘述。本文只对带传动三轮汽车的钢板弹簧进行分析，后文提及的三轮汽车专指带传动三轮汽车。三轮汽车后悬架大都采用纵置对称多片钢板弹簧式后悬架，它通过转套与车架相连，所以三轮汽车钢板弹簧不传递纵向力，不能起到导向作用，它只起到缓冲与减振的作用。在整车仿真分析中，钢板弹簧模型的建立一直是个难点，在一些精度要求不高的分析中，多用三连杆机构进行模拟，但由于其精度不是太高，并且对具有副簧的钢板弹簧很难模拟，所以为了提高三轮汽车的整车仿真精度，本文尝试采用UG、Hyperworks与Adams结合，建立多片钢板弹簧的柔体模型，在Adams中进行仿真，并将结果与测试结果相对比，验证模型的正确性。2建模2.1在UG中建立钢板弹簧的三维模型为了得到精确的结果，本文利用专业的三维CAD软件UGNX4.0建立了某钢板弹簧的三维模型，建模过程从略。建立后的钢板弹簧三维模型如图1所示：图1钢板弹簧三维模型图2.2将三维模型导入到Hypermesh在UG中，将该钢板弹簧三维模型导出为Parasolid（*.x_t）格式,在Hypermesh中,利用接口程序将该钢板弹簧模型导入到Hypermesh中,导入后的模型如图2所示:图2钢板弹簧在Hypermesh中的模型2.3在Hypermesh中建立钢板弹簧的有限元模型Hypermesh是一个高性能的有限元前、后处理器，让用户在交互及可视化的环境下验证各种设计条件，并且可以方便的划分出高质量的网格。为了提高计算精度，本文对该钢板弹簧的每一片单独划分网格，片与片之间用CGAPG间隙单元进行连接，来模拟弹簧片间的接触。由于板簧中间具有圆孔，并且不能忽略，如果直接用volume命令生成三维网格，网格质量不是太好，降低了计算精度。所以本文先生成二维网格，然后通过drag命令生成三维网格。2.3.1建立二维网格对该钢板弹簧的其中一片弹簧建立二维网格，创建的网格如图3所示：图3创建的二维网格2.3.2建立三维网格由建立得二维网格通过drag命令创建三维网格，生成的三维网格如图4所示：图4创建的三维网格2.3.3建立钢板弹簧的三维网格重复以上步骤，建立其它弹簧片的三维网格，完成后的三维网格如图5所示：图5钢板弹簧三维网格2.3.4建立接触单元本文利用CGAPG单元来模拟板簧片间的接触关系，用rigids单元模拟中心固定螺栓。具体步骤如下：1.点击Collectors，创建pgap道具，点击create/edit，并按照图6进行设置:图6pgap道具参数设置2.在片间建立CGAPG单元，并将各弹簧片的中心用RBE2单元连接。完成后的钢板弹簧模型如图7所示：图7钢板弹簧接触模型2.3.5建立约束1.创建loadcollectors，此loadcollector为约束，在创建约束的时候使用nocard；2.创建另一个loadcollectors，此loadcollector定义模态，card=cmsmeth，然后点击create/edit，并按照图8进行编辑：图8模态参数设置3.Analysis→constraint，选择最下方板簧片的中心点，6个自由度全选，创建约束。2.4利用OptiStruct求解钢板弹簧模态作为世界CAE工业流行的大型通用结构有限元分析软件，OptiStruct是一个快速、精确和稳健的有限元求解器，支持多种线性及非线性分析。通过无缝集成在HyperWorks软件中，OptiStruct为工程师提供了梦寐以求的灵活、快速和先进的功能，这些功能包括线性静态分析、特征值求解、屈曲，频率响应分析和瞬态响应分析以及运动学，动力学，静力学，准静力学和线性化分析等。OptiStruct虽然不是专业的解决非线性问题的求解器，但可以满足一般的非线性问题的计算要求。所以本文利用OptiStruct进行求解。2.4.1建立载荷步Preferences→Previous（OptiStruct），进入OptiStruct环境。analysis→subcase，按照图9进行设置，CMSMETH选择前面创建的模态收集器：图9设置载荷步2.4.2计算钢板弹簧模态analysis→OptiStruct，选择analysis，点击OptiStruct，运算完成后，点击Hyperview，该板簧的一阶模态如图10所示：图10钢板弹簧的一阶模态2.5文件转换MotionView是Hyperworks系列产品中的一种，MotionView前处理提供一个有效率的中性多体动力学语言分析功能，可以输出给ADAMS使用。此处需要利用MotionView程序，将OptiStruct生成的含有柔性体的H3D文件转化为ADAMS使用的MNF文件。打开MotionView，在FlexTools菜单中选择FlexPrep命令，选择上文生成的H3D文件，转换为所需要的MNF文件。2.6在ADAMS中建立钢板弹簧柔性体模型2.6.1导入MNF文件在ADAMS/View环境中，Build→FlexibleBodies→Adams/Flex，在打开的对话框中，选择上文建立的MNF文件，在ADAMS/View中生产的钢板弹簧柔性体模型如图11所示：图11钢板弹簧在ADAMS中的柔性体模型2.6.2建立车架的多体模型为了达到仿真的目的，需要按照该钢板弹簧在三轮汽车中的实际安装方式，建立其它零部件的多体模型。为了计算方便，本文仅建立了与钢板弹簧相关的车架局部模型。建立并导入ADAMS后的模型如图12所示：图12导入车架后的多体模型建立约束副，完成后的钢板弹簧柔性体模型如图13所示：图13钢板弹簧柔性体模型3仿真分析3.1添加运动约束为了更好的模拟钢板弹簧的受力过程，在移动副上施加移动铰，并将参数修改为50*time。3.2建立测量建立测量Y方向的位移，名称为MARKER_4_disp；建立测量Y方向的力，名称为MARKER_4_force；3.3运行仿真将时间设置为2，steps设置为100，运行仿真，图14为钢板弹簧变形情况：图14板簧变形情况3.4观察钢板弹簧载荷与位移曲线以MARKER_4_disp为横坐标，以MARKER_4_force为纵坐标，建立如图15所示的载荷与位移曲线；由图可以看出两段曲线的斜率分别是174与643，也就是说该钢板弹簧的主簧刚度为174N/mm与复合刚度为643N/mm。图25载荷与位移曲线4验证模型为了验证仿真结果,进行了台架试验。将该钢板弹簧固定在压力机上，进行测量，测量结果见表1。表1测量结果负载N静载变形mm刚度N/mm备注500029±1172.4主簧刚度3000048±1625复合刚度从上表可以看出仿真结果与测量结果误差小于3%，所以仿真结果真实可信，也就是说上述方法建立的钢板弹簧的模型是正确的。5结语根据载荷与位移曲线，ADAMS可以计算出钢板弹簧的变形量及相应的载荷大小,通过仿真结果,能比较清楚的了解钢板弹簧的特性情况。这样在样品试制出来以前,就可较准确地模拟出钢板弹簧特性的台架试验,在设计阶段就可预测其力学性能,方便进行设计修改。该模型的成功建立也为以后的三轮汽车整车仿真创造了条件。参考文献：[1]郑银环,张仲甫.汽车钢板弹簧多柔体建模及仿真研究［J］.湖北工业大学学报,2007,22(4):35-36.[2]谢东,姜立标，崔胜民，等.ADAMS环境下卡车及悬架模板的建立［J］.佳木斯大学学报，2007，25（1）：7-9.[3]丁开平，周传月，谭惠丰，等.HyperMesh从入门到精通［M］.北京：科学出版社.2005.[4]郑凯，胡仁喜，陈鹿民，等.ADAMS2005机械设计高级应用实例［M］.北京：机械工业出版社.2006.[5]李军，邢俊文，覃文洁，等.ADAMS实例教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2002.[6]石博强，申炎华，宁晓斌，等.ADAMS基础与工程范例教程［M］.北京：中国铁道出版社，2007.