某車鋼板彈簧剛度分析

摘要：應用CAE分析技術，分析某車后鋼板彈簧的剛度。采用HyperMesh和abaqus軟件，分別用C3D4、C3D8、C3D20及S4四種單元結構對板簧進行靜力學分析。對比分析四種結構形式的差異，為后續板簧分析提供參考。

關鍵詞：鋼板彈簧；HyperMesh；剛度；強度；靜應力

中圖分類號：U463.33+4 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2550（2011）06-0056-03

The CAE Analysis for Leaf Spring of a Vehicle

LU Zhi-cheng，XIA Tang-zhong，WANG Ping-ping，LIU Wen-hua，LIU Pan，YUAN Zhi

（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD，Technology Center Vehicle Department，Wuhan 430056，China）

Abstract: The aim of this paper is to analyze Leaf spring’stiffness using HyperMesh and abaqus software.And it’s carried out statics analysis in four element structures，such as C3D4，C3D8，C3D20 and S4，and comparied it. According to this analysis，we can see the difference about these four element structures，it can provides referrence to Leaf spring analysis.

Key words: Leaf spring；Hypermesh；stiffness；strengthness；stress

1 鋼板彈簧幾何模型建立

鋼板彈簧自由狀態主簧的長度1 000 mm，通過慣性矩及各板片厚度，利用作圖法（見圖1），求出各板片長度。作圖法是基于實際鋼板彈簧各葉片的展開圖接近梯形梁這一原則來確定各片長度。先將各葉片厚度的立方值按同一比例尺沿縱坐標繪出，再沿橫坐標給出主簧長度和副簧長度之半，展開圖，AB線與各葉片上側邊的交點即決定了各片長度。

由于各板厚度相等，各板片相差=67，各板片有效長度為：l1=500，l2=430，l3=360，l4=300。根據該數據建立鋼板彈簧完全自由狀態的模型如圖2所示。

2 單元類型選擇

對某一片鋼板彈簧分別采用四面體、8節點六面體、20節點六面體及殼進行離散分析，比較其差異。結果見圖3、表1。

四種單元類型中，四面體最剛硬，20節點六面體單元與殼變形量相同，為了能更好的模擬鋼板彈簧，后續鋼板彈簧將采用20節點六面體單元進行離散分析。

3 六面體單元厚度方向單元數選擇

對某片鋼板彈簧采用20節點六面體單元進行離散，厚度方向上分別采用兩層、三層、四層和五層進行離散分析，比較其差異。結果如圖4、表2所示。

上述結果表明，隨著層數的增加，變形、應力及運算時間逐漸增加。

（1）變形差別不大，厚度方向分布四層單元與五層單元變形相同；

（2）二層單元與三層單元的應力相差較大，三層、四層與五層的應力變化比較少，但是隨著層數的增加，運算時間增加比較大。

在保證模型精度的情況下，盡量縮減計算規模，鋼板彈簧厚度方向采用三層單元進行離散分析。

4 鋼板彈簧有限元模型的建立

4.1 網格劃分與單元類型選取

HyperMesh中用Solidmap方法將鋼板彈簧劃分為20節點六面體單元，有限元單元尺寸為5 mm，最后鋼板彈簧離散為87 888個單元，用1D中的CONN3D2單元將每片板簧連接起來，有限元模型見圖5，鋼板彈簧材料為60Si2Mn，其參數如表3所示。

4.2 邊界條件建立

建立的鋼板彈簧的有限元模型是自由狀態下的，所以分析時要分兩步，第一步將各片壓緊相當于將鋼板彈簧裝配好；第二步在彈簧中間與輪轂連接的軸心處加9 000 N的載荷。有限元加載模型如圖6所示。

5 計算結果與分析

從圖7可知，加載9 000 N后的應力為1 246 MPa，應力值小于許用應力，卸載后的應力為1 251 MPa。

由圖8所示曲線可知，鋼板彈簧裝配緊的變形為20 mm，加載9 000 N后的變形為156 mm，鋼板彈簧的剛度在只有主簧工作時為42.5 N/mm 左右，當副簧開始工作時剛度有一個顯著的增加，副簧完全工作時剛度穩定在一個較大的數值上，此時的剛度值為71 N/mm。

6 總結

本文對四面體、8節點六面體、20節點六面體及殼這四種單元形式進行了分析比較，另外比較分析了實體在厚度方向不同層數的應力與變形的差異，通過該分析，從而確定采用20節點六面體，在厚度上分三層的形式對鋼板彈簧進行離散分析，計算板簧的剛度。

參考文獻：

［1］ Altair Engineering Inc.HyperWorks User’s manual. 2010.

［2］ 彭莫.漸變剛度鋼板彈簧的計算方法［J］. 汽車工程，1993，6.

［3］ 王霄鋒.汽車底盤設計［M］.北京：清華大學出版社，2010.