基于ANSYS的钢板弹簧有限元分析

计算机技术应用《机电技术》2010年第4期7基于ANSYS的钢板弹簧有限元分析徐建全林佳峰陈铭年(福建农林大学机电工程学院，福建福州350002)摘要：采用APDL参数化有限元分析技术，对某轻型越野汽车的后悬架钢板弹簧进行参数化建模。应用ANSYS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。关键词：钢板弹簧；有限元分析；ANSYS；接触单元中图分类号：U463.33+4.1文献标识码：A文章编号：1672－4801(2010)04－007－03钢板弹簧具有结构简单，制造、维修方便，除了作为弹性元件外，还可兼起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用，其片间的接触、摩擦在弹簧振动时还将起到阻尼的作用，是重要的高负荷安全部件，所以目前仍被广泛采用。钢板弹簧的几何形状十分简单，但在工作过程中存在大变形(几何非线性)、各叶片间的接触(状态非线性)等多种非线性因素。传统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簧片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-面接触单元划分板簧片之间可能的接触面，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越野汽车的后钢板弹簧由7片板簧组成，具体尺寸如表1所示。表1钢板弹簧的尺寸片数厚度/mm宽度/mm长度/mm第一片第二片第三片第四片第五片第六片第七片6.56.56.56.56.56.56.563636363636363120012001020830650460270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图2钢板弹簧网格划分图1.2钢板弹簧的材料属性和网格划分钢板弹簧的材料为60CrMnBa，弹性模量为205GPa，泊松比为0.3，屈服极限为1100MPa，抗拉强度为1250MPa。采用ANSYS软件中的SOLID45实体单元进行网格划分，这种单元有利于考虑钢板弹簧的设计细节，能比较准确反映应力集中情况，同时，在三维接触问题的有限元解法中，这种单元往往比带有中间节点的单元的收敛性更好。SOLID45单元通过8个节点来定义，每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度，具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力。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1092个SOLID45单元和2451个节点。网格划分后的钢板弹簧模型如图2所示。1.3钢板弹簧的片间接触单元的建立《机电技术》2010年第4期计算机技术应用8在钢板弹簧的片与片之间，因为接触与否事先未知，而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CONTA173(三维8节点面与面接触单元)。CONTA173单元与SOLID45单元都没有带中间节点，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1400个接触单元。1.4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。钢板弹簧两端卷耳中装有橡胶衬套，钢板弹簧销通过支架固定在车架上。一端卷耳是固定轴的铰链约束，一端是浮动轴的锟轴约束。本文卷耳的约束方法是设置一个弹性层，以弹性层来代替衬套，并将这个弹性层与卷耳粘接起来，在固定卷耳的一端，把在弹性层内的节点在X、Y、Z方向的自由度都加以约束：在浮动卷耳的一端，只约束在Y、Z方向的自由度[6,7]。1.5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：第一个载荷步中载荷为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；第二个载荷步模拟加载过程，在钢板弹簧弧形顶端的中部施加载荷，满载为5250N，方向垂直向上的面分布力，分12个子步加载。模型的约束和加载如图4所示。图3接触区域的示意图图4钢板弹簧约束和加载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。根据前面各载荷步的分析结果，得出钢板弹簧的位移随载荷的变化情况，满载下钢板弹簧Y方向的变形如图5所示。钢板弹簧满载时的刚度为60N/mm大于额定刚度50N/mm，满足刚度要求。满载下钢板弹簧的昀大米塞斯应力云图，如图6所示，昀大应力SMX=1240MPa小于许用应力，满足强度要求。图5钢板弹簧在满载下UY的变形图图6钢板弹簧在满载下的应力云图3结语本文采用ANSYS软件的APDL参数化建模，通过对7片钢板弹簧的非线性有限元分析，得出了钢板弹簧在不同载荷作用下的变形和应力分布。结果表明，该钢板弹簧的刚度和强度满足要求，为钢板弹簧的改进设计奠定了基础。(下转第23页)计算机技术应用《机电技术》2010年第4期23参考文献：[1]WeiZhou,Chee-MengChew,Geok-SoonHong.InverseDynamicsControlforSeriesDamperActuatorBasedonMRFluidDamper[C].InternationalConferenceonAdvancedIntelligentMechatronicsMonterey,California,USA,24-28(2005)473-478.[2]ChiharuSAKAI,HiromitsuOHAIORI,AkiraSANO.ModelingofMRDamperwithHysteresisandApplicationtoVibrationControl[C].SICEAnnualConferenceinFukui,August4-6,2003FukuiUniversity,Japan.[3]张雄伟，邹霞，贾冲.DSP芯片原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2005:173.[4]王茂飞，程昱.DSP技术与应用开发[M].北京：清华大学出版社，2007:292.[5]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2007:218.作者简介：陈小梅（1982年－），女，硕士研究生，研究方向：液压与气动技术。(上接第8页)参考文献：[1]刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社，2001.[2]谷安涛.应用CAE技术进行钢板弹簧精确设计[J].汽车工程,2002,24(1):73-75.[3]郑银环,张仲甫.ANSYS接触分析在钢板弹簧设计中的应用[J].武汉理工大学学报(信息与管理工程版),2009,31(5):752-754.[4]博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2004.[5]龚曙光，谢桂兰，黄云清.ANSYS参数化编程与命令手册[M].北京：机械工业出版社，2009.[6]涂敏.汽车钢板弹簧有限元分析[D].北京：清华大学，2003:1-30.[7]王霄锋,涂敏.汽车钢板弹簧的应力和变形分析[J].机械强度，2005，27(5)：647-650.[8]张进国,陈俊云.基于ANSYS参数化语言汽车钢板弹簧有限元分析及优化[J].拖拉机与农用运输车，2007，34(6)：90-91.作者简介：徐建全（1977年－），男，讲师，硕士，湖南大学机械与运载工程学院博士研究生，研究方向：计算机辅助工程分析，工程结构分析与优化，汽车车身结构与设计理论。