基于ADAMS的皮卡板簧動力學建模方法及性能仿真

孔德琨

前言

鋼板彈簧是現代汽車懸架結構中應用很廣泛的彈性元件之一，主體是由若干金屬葉片疊加而成．其近似一根等強度的彈性梁，主要承受來自各個方向上的力和力矩，同時還承擔汽車在啟動和制動時的扭矩。本文基于 Adams/view中的板簧工具箱，根據實際參數，建立某皮卡的鋼板彈簧動力學模型，并初步實現其性能仿真。

1、Adams簡介

Adams（Automated Dynamic Analysis of Mechanical Systems）是由美國MDI公司開發的一款虛擬樣機分析軟件，主要用于仿真機械系統的性能、運行軌跡、碰撞、峰值載荷模擬以及計算有限元的輸入載荷等等。在接近于現實的工作條件下逼真地模擬所有運動情況，并且可以快速對比分析多種設計方案，直至確定最優的設計方案。

2、ADAMS板簧建模方法

2.1 板簧建模方法

在Adams中，有著多種鋼板彈簧的建模方法，主要包括等效中性面法、三段梁法和離散單元梁法等：

等效中性面法：主要將所有的主簧片看成一整片，然后分成若干剛體，剛體之間用柔性梁連接，剛體質量和轉動慣量按照所有主簧片整體的實際質量參數；副簧建模方法同樣。主、副簧片之間的接觸通過Adams中接觸函數模擬。

三段梁法：這是一種簡化的鋼板彈簧模型，將鋼板彈簧看成中間剛性襯套或者球鉸連接起來，前、后梁與車架用彈性襯套或者鉸鏈副連接，并通過選擇合適的襯套參數，使之達到實際鋼板彈簧的剛度。

離散單元梁法：這是以有限元為依據的方法，將每片鋼板彈簧都離散成若干段的剛體，且在每段離散剛體之間都用單元梁連接，單元梁參數根據鋼板彈簧截面形狀與材質得出。各片之間的接觸利用Adams中的接觸力定義。

Adams/view中的板簧工具箱的原理實際是離散單元梁法，也是將鋼板彈簧的各片分成若干塊，將各塊之間用無質量的單元梁連接起來。

2.2 皮卡板簧建模

以國內某皮卡的后鋼板彈簧為研究對象，板簧片數為 5片，矩形斷面結構，板簧材料為 60CrMnBA，彈性模量為205GPa，剪切模量為 79GPa，泊松比為 0.3。抗拉強度為1250MPa， 摩擦因數取0.2，其它參數見下表1。

表1

在ADAMS 2013版本中，整個建模流程基于view模塊用戶界面。建模流程為：啟動ADAMS/view，并選擇載入板簧工具箱：選擇菜單Tools→Plugin Manager，從插件列表中找到Leaf spring Toolkit，然后加載，在Adams/view界面上多出一個新的Leaf tool菜單。

建模步驟：首先通過菜單 Leaf Tool→OG profile Generator建立新的板簧模型，彈出圖l對話框，在此對話框中輸出板簧的幾何參數和基本尺寸，以及卷耳類型等數據。然后選擇Leaf Tool→create spring，彈出如圖2所示的對話框。在此對話框中修改自由狀態下鋼板彈簧的各個參數，包括leaf、Eye fore/aft flag、leaf forces、Pad height、Friction coefficient、Fore/Aft Clip On等等。其中：leaf包括鋼板彈簧片數、寬度實數、離散單元實數組等的設置；Eye fore/aft flag包括卷耳半徑以及形狀等的設置；leaf forces主要指板簧片之間摩擦數的設置；Pad height包括板簧片之間高度的設置：Friction coefficient主要是摩擦系數的設置：Fore/Aft Clip On包括彈簧夾的數量、基本尺寸等的設置。然后 OK，彈出Attachment create or modify對話框，如圖3所示，設置與板簧相關的 Axle（包括車軸安裝高度等）、Shackle（包括吊耳的尺寸、質量、位置等）的參數。最終，依次對鋼板彈簧所有參數進行修改完成，創建新的鋼板彈簧文件．完成皮卡鋼板彈簧模型的建立，如圖4所示。

3、板簧仿真分析

通過常用的有限元分析軟件對板簧進行非線性分析和求解垂向剛度的方法比較復雜，且耗時比較長。而基于ADAMS方法，在建好鋼板彈簧的模型之后即可快速求解鋼板彈簧的垂向剛度。將建好的鋼板彈簧模型從ADAMS/view模塊中打開。在第一片鋼板彈簧的左右兩個外接點進行固定，對板簧中心穿孔螺栓處施加1個空間力F，大小為10000×time，方向為豎直向上；建立中心螺栓相對與初始位置的Z方向的位移隨時間的測量曲線location_z；建立F在Z方向上的力的大小隨時間的測量值曲線vertical_Fz；運行仿真，如圖5；然后測量Z位移和力的曲線。

打開Start Plotting Window處理模塊，加載location_z隨時間變化的曲線，對曲線進行處理，得到 vertical_Fz變化的曲線，命名為Force-Length曲線，即位移-載荷曲線，對其進行求導，得位移-載荷曲線的斜率的曲線，即靜態剛度曲線，如圖6所示。

在圖6中，斜率曲線表示鋼板彈簧在不同平衡位置的靜態剛度，圖中斜率逐漸增大，表明鋼板彈簧靜態剛度是在逐漸增大的。由于在變形小的時候，第一、二、三片板簧相對于自由狀態處于向上彎曲狀態，四、五處于平直狀態，隨著變形的逐漸增大，所有鋼板都處于向下彎曲，剛度相比之前會增加，因此靜態剛度是逐漸增大的。根據載荷位置曲線可以計算板簧的變形量及相應的載荷大小，所以通過仿真結果，能比較清楚了解鋼板彈簧的特性情況。

這樣在樣品試制出來以前，就可較準確地模擬板簧特性的臺架試驗，在設計階段就可預測其力學性能，方便地進行設計修改。

4、總結

在ADAMS虛擬樣機環境下，利用ADAMS/view中的板簧工具箱，建立某皮卡后鋼板彈簧三維實體模型進行性能仿真，可以清楚地了解鋼板彈簧的特性情況，驗證鋼板彈簧動力學模型的正確性，比采取有限元求解鋼板彈簧的剛度曲線的方法更簡單、更快捷。同時，對整車性能的仿真提供了很大的幫助，為整車懸架性能的研究提供基礎。

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