基于有限元分析的高分子材料板簧壓板研究

陳中旺，李善益

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥）

基于有限元分析的高分子材料板簧壓板研究

陳中旺，李善益

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥）

汽車輕量化設計已經成為我國汽車工業一個主要發展方向，輕質材料和降重新技術廣泛運用在零部件設計中；文章利用ABAQUS6.10軟件對高分子材料與金屬件結合的板簧壓板建立有限元模型，采用模擬平衡懸架實際使用工況進行有限元分析，得出滿足可靠性能的高分子材料板簧壓板模型。

板簧壓板；高分子材料；輕量化；ABAQUS6.10

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-05-02

引言

板簧壓板與騎馬螺栓共同作用，將鋼板彈簧總成固定在橋上，使橋和鋼板彈簧共同起承載作用；同時壓緊鋼板彈簧總成，可以提高鋼板彈簧總成剛度，提高板簧承載力，防止板簧從中心螺栓孔處斷裂。目前板簧壓板主要采用金屬材料，如鑄鐵和鑄鋼等，而金屬材料密度大，壓板整體相對較重，增加了懸架系統的整體重量以及裝配困難。

高分子材料因具有較高的力學性能、材料密度小、優良的耐磨性、理想的減振降噪性能以及良好的自潤滑性等的特點，廣泛運用于軌道交通、汽車、工程機械、礦山機械等運輸行業。

1、課題說明

1.1 課題來源和目標

根據某型牽引車鋼板簧壓板以塑代鋼項目安排，新材ABU對鋼板簧壓板進行輕量化產品替換設計，要求分析車輛在顛簸路面行駛時，受150kN的向上載荷之后，塑料鋼板簧壓板結構的應力情況。

1.2 技術輸入描述

計算工況載荷為150kN。

1.3 技術輸入文件

產品設計圖紙及3D模型。

2、鋼板簧壓板計算分析模型描述

2.1 基本假設

1）本分析是靜態加載條件下的仿真分析，不考慮加載速度；

2）在不影響關注部位的應力分布及應力趨勢的前提下，對模型一些尖銳結構進行幾何簡化。

2.2 幾何模型

鋼板簧壓板幾何模型如圖所示：

圖1 鋼板簧壓板幾何模型

2.3 計算模型

1）單位系統

本有限元分析運用ABAQUS6.10軟件進行計算。本文及分析中所采用的單位系統為SI（mm），即mm、N、MPa，此報告文字及圖片中出現的任何數字，如果未注明，都采用此單位系統。

2）有限元模型單元使用

鋼板簧壓板塑料結構和金屬嵌件結構采用C3D10單元類型，嵌件和塑料結構單元共節點，U型螺栓結構采用C3D8R單元類型，板簧結構簡化為剛性面結構元，采用R3D4單元類型，模型有152879個單元，網格模型如下圖所示：

圖2 鋼板簧壓板有限元模型

3）材料參數

有限元計算所用材料參數見表1，由ABU提供。

表1 材料參數

注：ABU未提供塑料材料泊松比參數，故取常用值，計算結果僅供參考。

2.4 邊界條件

U型螺栓和鋼板簧壓板采用接觸設置，鋼板簧壓板靜強度分析邊界條件如下圖所示,U型螺栓底部固定約束，對板簧剛性體施加150kN向上的力載荷：

圖4 鋼板簧壓板加載邊界條件

3、鋼板簧壓板計算結果

1）板簧壓板塑料結構MISE應力云圖

2）板簧壓板嵌件結構MISE應力云圖

圖5 鋼板簧壓板應力分布云圖

由于重點關注塑料結構應力情況，故圖5-1中，將鋼板簧壓板的金屬嵌件略去，只顯示塑料結構的應力云圖；圖5-2為金屬嵌件MISE應力云圖，其中圖5-2中的圖b，將嵌件結構中小于365MPa（45#鋼屈服極限）的應力值，用灰色渲染。

由圖5-1的MISE應力可知，加載后，U型螺栓、嵌件和壓板塑料結構體三者交匯的位置，應力相對較大，MISE應力約為48MPa。由圖5-2的MISE應力可知，加載后，U型螺栓和金屬嵌件接觸的位置，即圖5-2中的圖b中，紅色渲染部分，應力較大，超過45#鋼屈服極限，主要原因是過渡邊緣未設計倒圓。

4、后簧上壓板輕量化性能對比

表2 后簧上壓板輕量化性能變化對比表

5、結論

本分析計算了鋼板簧壓板在給定150kN工況下應力分布情況。可知，鋼板簧壓板塑料結構最大MISE應力在U型螺栓、嵌件和壓板塑料結構體三者交匯的位置，約48MPa。動載1.5系數時，應力為72MPa，安全系數是3.4。因此，整體設計滿足使用要求。

[1] 王望予.汽車設計.機械工業出版.2013.

[2] 申晉憲,王鐵.載貨汽車總體設計分析.中國標準出版社.2013.

[3] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS6.10.機械工業出版社.2006.

[4] 劉鴻文.材料力學.高度教育出版社.

Based on finite element analysis of polymer plate spring clamp

Chen Zhongwang, Li Shanyi
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Automotive lightweighting design has become our country automobile industry one of the main development direction, lightweight materials and drop technology is widely used in the parts design; Using ABAQUS6.10 software a combination of polymer material and metal plate spring plate finite element model is established, simulated balance suspension actual use condition in finite element analysis, it is concluded that meet reliable performance of high polymer material plate spring pressure plate model.

Spring plate; Polymer materials; Lightweight; ABAQUS6.10

U462.2

A

1671-7988 (2017)10-05-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.002

陳中旺，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司。