基于Hypermesh的板簧懸架模型建立與驗證

徐論意

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于Hypermesh的板簧懸架模型建立與驗證

徐論意

（安徽江淮汽車股份有限公司，安徽 合肥 230601）

在車架強度分析過程中，板簧懸架模型的至關重要，其直接影響分析結果的準確性。本文利用前處理軟件Hypermesh建立有限元模型，后處理軟件Msc.nastran計算出結果。同時將計算結果與試驗數據作對比，證明了板簧懸架模型的合理性。

車架；板簧懸架；有限元

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)01-101-03

前言

在車架強度有限元分析過程中，板簧懸架模型至關重要，其直接關系到車架強度分析的準確性。在各種文獻中，板簧懸架的模型被廣泛使用，但其模型是否能夠與實際相符合，一直無人探討。

筆者以在職單位的某款輕型卡車底盤為研究對象進行實物加載試驗，基于車架CAD模型和板簧懸架相關零部件的性能參數，綜合利用Hypermesh，Msc.nastran有限元分析軟件建立有限元模型和計算，對比分析結果與試驗數據的吻合程度，為以后車架強度分析提供參考。

分析流程如下：

（1）選取具有便于加載、記錄及有限元模型建立的懸架結構的輕型卡車底盤，盡可能減少其他不明確的載荷、工況等因素對分析問題的影響；

（2）對輕型卡車底盤進行加載試驗，使其車架出現明顯的塑性變形，記錄相關試驗數據；

（3）根據車架CAD模型及約束條件通過Hypermesh建立有限元模型，利用Msc.nastran計算得出理論數據；

（4）對CAE分析結果和試驗數據進行對比分析，得出結論。

1、輕型卡車底盤的選取及加載試驗

輕型卡車一般為兩軸結構，具有前懸架和后懸架。由于輕型卡車前部及中部承受駕駛室、駕駛員、副駕駛員、發動機、變速箱、油箱等載何的作用，受力較為復雜，有限元模型難以精準模擬其真實受力情況。相反，在輕型卡車后部受力情況簡單很多，特別是對于不帶貨箱的二類底盤，其不受多余外載荷的作用，便于驗載荷的施加及確保影響因素的唯一性。

輕型卡車的后懸架多為主、副簧的板簧懸架，有副簧支架，其特點是當載荷較小時，僅主簧工作，當載荷達到一定值時，副簧與副簧支架接觸，副簧開始起作用。為避免副簧支架受力對車架強度的影響，本文采用另一種副簧下置（不帶副簧支架）的結構。

在汽車行駛過程中，典型的工況包括彎曲、扭轉急剎制動和轉彎4種工況。彎曲工況很容易通過施加驗證載荷達到，且容易記錄載荷和變形量。

綜上所述，本文選取副簧下置的后懸架為研究對象，通過對車架尾梁施加集中載荷，使車架出現彎曲變形，具體理論模型示意圖見圖1。

按圖1模型對車架進行逐漸逐級加載：載荷量從1000Kg開使，增量為200kg，每次加載后進行釋放載荷，記錄尾梁離地高度，直至加載到尾梁不能恢復到加載前的高度為止，說明此時車架已發生塑性變形，明顯塑性變形位置見圖2。記錄下載荷為1800Kg，尾梁豎直位移量為47mm。

2、有限元模型建立

2.1 網格劃分

該車架為典型的邊梁式車架，車架縱梁和橫梁均有薄板件沖壓成型，其長度遠大于厚度，可以采用殼單元來模擬。車架CAD數模在UG NX6.0中建立，由于Hyperworks對IGES格式導人效果較好，故將模型轉換為IGES格式。采用HyperWorks中的BatchMesher對IGES文件進行中性面抽取和網格劃分并將劃分完的網格的文件導入Hypermesh中，檢查其網格質量。對于錯誤網格應通過改變切割單元、改變節點位置等手段進行修改，保證錯誤網格為零。

網格質量的優劣網格質量的優劣將對計算結果產生較大的影響。因此對網格質量的控制就顯得尤為重要 。圖3是網格質量控制參數，其中單元長寬比小于5:1：翹曲角小于15°；雅克比大于0.6：三角形單元占總單元比例不超過5%。

劃分網格后的車架模型有節點31062個．單元29123個，其中四邊形單元27870個。三角形單元1253個，三角形單元占總單元的比例為4.3%。網格質量見表1。

表1 網格質量

2.2 連接方式處理

車架各橫梁和縱梁通過鉚接連接，采用方便、快捷的點對點的rbe2連接即用rhe2將圓孔中心的主節點和圓孔周圍6個從節點連接起來．再用rbe2單元連接上下兩圓孔的中心，具體鉚接連接模擬方式見圖4。

2.3 懸架模擬

輕型卡車底盤的后懸架具體的連接方式為，板簧前端固定在車架的板簧固定支架上，板簧后端通過板簧吊耳與車架上的板簧吊耳支架連接。為研究方便，在板簧前后安裝點用點來模擬，并通過rbe2將該點與車架上相應的鉚接孔連接。將板簧簡化成CBUSH[，分別與模擬點連接。

2.4 約束與加載

為降低計算量，截取車架后半部分為研究對象。在彎曲工況下，截面處存在彎曲變形，所以對截面的各個節點Z向及繞Y軸旋轉兩個自由度不予約束，其余四個自由度進行約束；板簧托即后橋為固定連接，進行六個自由度的完全約束；板簧與車架的連接不是固連，而是在一定自由度上可以發生運動：板簧固定支架處可以發生相對轉動，板簧吊耳支架處可以發生相對轉動和滑動，對板簧卷耳和吊耳分別施以相應的約束。

根據圖1中的模型及試驗加載數據，對有限元模型施以1800Kg載荷，用以車架強度計算。最終車架有限元模型見圖5。

2.5 賦材料及屬性

鋼板彈簧CBUSH賦予剛度值為271N/mm；對車架縱梁、各橫梁及連接板賦予510L材料，材料的力學性能見表2。

表2 材料力學性能

2.6 導出計算及查看結果

將hypermesh文件導出成bdf格式，用Msc.nastran打開計算并查看分析結果，圖6、圖7分別為車架的最大應力點及最大位移點。

3、加載試驗及有限元分析結果對比

將加載試驗和有限元分析得到的加載載荷、尾梁位移量、變形位置進行對比，加載試驗與有限元分析數據對比見表3。

表3 加載試驗與有限元分析數據

由上表可以看出，在相同位置加載相同載荷的情況下，試驗和有限元分析結果均出現塑性變形且變形位置相同，尾梁位移量也基本相同。結果充分證明了板簧懸架模型的合理性。

4、結論

本文通過合理的模型選取，采用試驗和有限元分析結果作對比，充分證明了在車強度分析中，板簧懸架模型的正確性，為新車架的開發提供參考。

[1] 楊瑩.基于Ansys Workbench的貨車車架有限元分析[J].農業裝備與車輛工程,2013,51.

[2] 劉素紅.一種客車車架結構的有限元分析[J].機電工程,2010,27.

[3] 張勝蘭.HyperWorks的車架模態分析[J].機械設計與制造,2005,4.

[4] 紀飛龍.基于HyperWorks的某車架鉚接方式的對比分析[J].湖北汽車工業學院學報,2011,25.

[5] 郭雷.輕型卡車車架應力試驗及有限元分析研究[J]汽車實用技術,2013,12.

[6] 王鈺棟.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M].機械工業出版社.

[7] 王霄鋒.汽車底盤設計[M].清華大學出版社.

Establishment and verification of leaf-spring suspension model based on Hypermesh

Xu Lunyi
（Anhui Jiang-Huai Automobile Company, Anhui Hefei 230601 )

In the process of the frame strength analysis, leaf-spring suspension model is very important, which directly affects the accuracy of the results. In this article, the finite element model is established by the pre-processing software Hypermesh and the results are calculated by the post-processing software Msc.nastran. At the same time, the calculation results are compared with the experimental data, proved the reasonability of leaf-spring suspension model.

frame; leaf-spring suspension; finite element

U463.8

A

1671-7988(2015)01-101-03

徐論意，就職于江淮汽車技術中心商用車研究院。