少片變截面鋼板彈簧的疲勞壽命分析＊

（重慶理工大學(xué)，重慶 400050）

1.少片變截面鋼板彈簧的應(yīng)力分析

1.1 少片變截面鋼板彈簧的幾何模型

根據(jù)某公司的產(chǎn)品，該少片變截面板簧由三片變截面式鋼板組成，裝配體的幾何模型導(dǎo)入MD Patran中如圖1所示。

圖1 幾何模型

1.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)少片變截面鋼板彈簧采用實(shí)體單元；考慮板簧的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其應(yīng)力集中、非線性、大變形的特點(diǎn)，采用精度較好、注重幾何細(xì)節(jié)的8節(jié)點(diǎn)六面體單元；由于存在截面尺寸變化的，故每片簧采用3層網(wǎng)格劃分，板簧單片高為25mm，寬度方向100mm。劃分好的網(wǎng)格如圖2所示，總共有34588個(gè)六面體單元[1]。

圖2 網(wǎng)格模型

1.3 材料屬性

根據(jù)產(chǎn)品圖紙，該少片簧材料為50CrVA，熱處理溫度中淬火溫度為1120T，回火溫度為770T，淬火介質(zhì)是油；力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度1275 (N/mm2)，屈服強(qiáng)度1130(N/mm2)，斷面收縮率20%[2]。

1.4 載荷及邊界條件的確定

根據(jù)鋼板彈簧的安裝要求與工作特點(diǎn)，規(guī)定其在卷耳的兩端處只沿X方向移動(dòng)，固定其YZ方向的移動(dòng)；在模型的中間位置只沿Y軸移動(dòng)，固定其XZ方向的移動(dòng)[3]。

采用MPC約束，預(yù)定接觸區(qū)域內(nèi)的單元全定義為接觸體，采用deformable body，接觸算法選用增強(qiáng)的拉格朗日法；摩擦采用庫(kù)侖模型，摩擦因數(shù)取0.1。求解器為sol600，設(shè)置30步的時(shí)間增量步。每增量步迭代次數(shù)設(shè)為20。在所有邊界條件及載荷設(shè)置完成之后，提交Nastran進(jìn)行計(jì)算。

1.5 應(yīng)力云圖及分析

由應(yīng)力云圖（圖3）可知，少片變截面鋼板彈簧的應(yīng)力從中間向兩端先逐漸增大后逐漸減小，最大值為1330MPa，卷耳處的應(yīng)力約在300MPa左右，都滿足材料的許用應(yīng)力要求。

圖3 應(yīng)力云圖

2.少片變截面鋼板彈簧疲勞仿真分析

對(duì)于車用鋼板彈簧來(lái)說(shuō)，由于經(jīng)歷的載荷循環(huán)次數(shù)較多，一般采用應(yīng)力作為疲勞性能的控制參量[4]。

板簧Y方向強(qiáng)制位移的確定，根據(jù)鋼板彈簧實(shí)驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19844-2005，各片中部不等厚的少片變截面鋼板彈簧：

式中：

ΣI0—根部總慣性矩；

Le— 鋼板彈簧有效作用長(zhǎng)度； Le=L-as

（s為U型螺栓夾緊距離，a為無(wú)效長(zhǎng)度系數(shù)，一般取0.5)

F'夾—總成夾緊剛度，F(xiàn)'夾=(L/Le)3×F'自

F'自—板簧自由狀態(tài)下的理論計(jì)算剛度。

3.疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

目前企業(yè)基于2005年7月發(fā)布的GB/T 19844-2005標(biāo)準(zhǔn)，采用的疲勞試驗(yàn)項(xiàng)目是垂直負(fù)荷下的疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的疲勞試驗(yàn)機(jī)如圖4所示。

圖4 疲勞試驗(yàn)機(jī)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)方法，疲勞試驗(yàn)在13.6萬(wàn)次后，第一片發(fā)生斷裂，斷裂部位為距中心孔122.2mm的位置。斷口形貌如圖5所示。表1為仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比[5]。

圖5 斷裂形貌

表1 仿真計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

以上分析可知，計(jì)算疲勞壽命和試驗(yàn)疲勞壽命在預(yù)測(cè)斷裂位置時(shí)具有比較高的精度，在預(yù)測(cè)斷裂前的疲勞壽命時(shí)，誤差率為14.71%?？紤]到疲勞分析的特殊性，此誤差率能夠達(dá)到預(yù)期。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)少片變截面鋼板彈簧強(qiáng)度進(jìn)行仿真分析，得到其應(yīng)力從中間向兩端先增大后減小的變化趨勢(shì)，都滿足材料的許用應(yīng)力要求。

（2）由疲勞壽命云圖可知，板簧發(fā)生破壞時(shí)的載荷循環(huán)次數(shù)為11.6萬(wàn)次；斷裂位置最容易發(fā)生在距離板簧中心安裝點(diǎn)為116.1mm～145.4mm處，該處正是簧片應(yīng)力最大的地方。

（3）根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19844-2005進(jìn)行疲勞疲勞壽命試驗(yàn)，其結(jié)果與有限元分析結(jié)果基本一致，說(shuō)明仿真分析正確可行。