復(fù)合材料板簧強(qiáng)度分析與驗(yàn)證

徐余平

摘 要：對(duì)復(fù)合材料板簧進(jìn)行沖擊、制動(dòng)等工況的強(qiáng)度分析，以及沖擊工況的臺(tái)架應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果表明：應(yīng)變對(duì)比誤差在10%以內(nèi)，仿真精度較高，該復(fù)合材料板簧滿足強(qiáng)度性能要求，可以為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料板簧;強(qiáng)度試驗(yàn);應(yīng)變;有限元分析

0 引言

復(fù)合材料板簧具有鋼制板簧難以取代的優(yōu)點(diǎn)：抗腐蝕性強(qiáng)、易加工、比強(qiáng)度高。應(yīng)用在汽車上可以降低汽車重量，減少油耗，節(jié)約能源[1]。本文基于某非獨(dú)立懸架的復(fù)合材料板簧，采用CAE仿真和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)雙重手段，進(jìn)行強(qiáng)度性能開(kāi)發(fā)，為產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、性能提升提供依據(jù)。

1 復(fù)合材料板簧建模

1.1 有限元模型

板簧的簧片采用ABAQUS的連續(xù)殼單元建模，單元類型為SC8R，網(wǎng)格尺寸為5mm，沿厚度方向劃分8層單元。由于復(fù)合材料板簧采用纏繞成型的工藝方法，其纖維方向角均為0°，因此可對(duì)每層厚殼單元僅鋪1層，參考厚度取5mm。前后卷耳和后吊耳采用六面體實(shí)體單元建模，單位類型使用C3D8I，網(wǎng)格尺寸為3mm，中間的加載盒同樣采用六面體實(shí)體單元建模，網(wǎng)格尺寸為5mm。加載盒和板簧之間建立接觸。另用Kinematic Coupling約束加載盒的上下表面，在耦合節(jié)點(diǎn)施加作用載荷，來(lái)模擬板簧加載工況。復(fù)合材料板簧總成的裝配建模如圖1所示[3]。

1.2 材料參數(shù)

復(fù)合材料的材料參數(shù)，需通過(guò)特定的材料試驗(yàn)獲取，復(fù)合材料采用正交各向異性材料模擬[4]。

2 復(fù)合材料板簧強(qiáng)度分析與驗(yàn)證

2.1 邊界條件

前卷耳固定點(diǎn)、后吊耳上固定點(diǎn)均釋放Y向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。主要考查沖擊工況、制動(dòng)工況、起步工況、側(cè)傾工況。

2.2 分析結(jié)果

復(fù)合材料板簧的強(qiáng)度性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：提取計(jì)算結(jié)果中纖維方向應(yīng)力，對(duì)比材料的拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度，判斷是否失效。圖2為沖擊工況強(qiáng)度分析云圖，纖維方向最大應(yīng)力為434.6MPa。

該材料的抗拉強(qiáng)度為1200MPa，抗壓強(qiáng)度為850MPa。將四種工況下的應(yīng)力結(jié)果匯總至表1，可以看出，在強(qiáng)度分析典型工況下，復(fù)合材料板簧拉伸、壓縮強(qiáng)度安全系數(shù)均大于1.5。

取沖擊強(qiáng)度工況進(jìn)行應(yīng)力測(cè)試對(duì)比：在復(fù)合材料板簧樣品上貼片，共有4處;在有限元模型中選取相同位置的單元，輸出對(duì)應(yīng)位置應(yīng)變，用于數(shù)據(jù)對(duì)比。

從表2可以看出沖擊工況下的應(yīng)變仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果誤差均在10%以下，符合預(yù)期要求。綜上，該型復(fù)合材料板簧滿足強(qiáng)度使用要求。

3 結(jié)論

復(fù)合材料板簧替代傳統(tǒng)的鋼板彈簧是底盤輕量化的趨勢(shì)之一，對(duì)于企業(yè)提質(zhì)增效、引領(lǐng)市場(chǎng)有積極效果。本文以復(fù)合材料板簧為研究對(duì)象，利用CAE仿真分析了板簧的強(qiáng)度性能，并通過(guò)臺(tái)架驗(yàn)證，反映出該復(fù)合材料板簧滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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