仿真分析在汽车钢板弹簧设计中的应用
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汽车钢板弹簧仿真分析流程见图 1。
新建一个数据库文件 创建或读取几何模型
选择分析求解器
显示分析结果（后处理） 提交分析
设置分析参数 定义材料特性和单元特性
划分有限元网格
施加载荷和设定边界条件
图 1 仿真分析流程
1.1 几何建模 MSC.AFEA 提供了一系列的 几 何 建 模 功 能 ，并
具有较强的几何模型直接访问技术 （Direct Geometry Access）， 可 在 同 步 的 工 程 环 境 下 从 CATIA、 SolidWorks、Pro/Engineer 等 CAD 软件系统中读取几 何模型以及参数和特征。
对于汽车钢板弹簧而言， 还需建立多点约束 （MPC，Mulit—Point Constraint） 为后面加载做准备， 即在板簧卷耳处增加一个点， 通过对这一点加载达 到对整个钢板弹簧施加载荷的目的。 建立汽车钢板 弹 簧 多 点 约 束 的 方 法 ：Create→MPC→Rigid （Fixed）， 然 后 点 击 Define Terms 激 活 对 话 框 ， 分 别 Create Dependent 和 Create Independent， 完成以上 步 骤 后 再 Apply。 1.3 加载和边界条件
京 ：电 子 工 业 出 版 社 ，2004.
·61·
计算机应用
汽车科技第 3 期 2009 年 5 月
1 汽车钢板弹簧仿真方法
国内业界已经有应用 ANSYS 普通结构分析模 块对汽车钢板弹簧进行计算分析的报告， 在此利用 MSC.AFEA 中的结构分析模块来进行汽车钢板弹簧 装配预应力、刚度、应力、端部位移等进行仿真分析。 MSC.AFEA 是 美 国 MSC.Software 公 司 开 发 的 由 MSC. Patran 和高级非线性有限元软件 MSC.Marc 联 合组成的仿真软件， 可以完成结构分析、 热分析和 热—结构耦合分析三大类仿真分析任务。
加载频率由泵站的变量叶片的输出流量调整。 其系 统原理框图如图 9 所示。
程的 85％±5%；每个项目进行 3 个样件测试，结果均 符合要求。
工控机
换向阀
液压系统
应力测试仪
制
加载油缸
动
踏
板
A／D
位移传感器
图 9 试验台系统原理示意图
（2）试验方案与结果。按实车状态在夹具上固定 踏板总成， 并将踏板的输出端与制动主缸在踏板工 作行程的中间位置固定， 进行纵向力和侧向力的测 试； 耐久性试验将踏板输出端与模拟负载装置相连 接，加载频率为 0.7~3 Hz，加载行程为踏板设计全行
加载分两个载荷步组成。 第一个载荷步模拟中 间螺栓拧紧时各簧片的变形、 应力响应和接触情况 及接触应力。 第二个载荷步是模拟在卷耳中心施加 载荷时，钢板弹簧总成变形、应力响应及簧片间的接 触情况。
建 立 位 移 约 束 的 过 程 为 ：Create →Displacement→Nodal，然后输入 New set name，在 Input Data 中输入位移的值， 然后在 Select Application Region 中选择要赋予的单元，最后 Apply 完成。
仿真分析在汽车钢板弹簧设计中的应用 ／ 汤银霞
计算机应用
仿真分析在汽车钢板弹簧设计中的应用
汤银霞
（东风汽车悬架弹簧有限公司，十堰 442046）
摘要：研究了利用 MSC.AFEA 分析软件对汽车钢板弹簧进行仿真分析的方法，将某汽车钢板弹簧的装配预应力、刚
度、应力、端部位移等仿真结果与理论计算和样品试验结果进行对比，根据对比分析结果修正设计，减少了物理样机
计算机应用
中选取要导入的文件。 由于该汽车钢板弹簧为对称 结构，受对称载荷和约束，为简化模型，只取真实模 型的一半分析。 为减小计算量，提高计算速度，建立 二维几何模型见图 2。
图 2 平面几何模型
2.2 建立有限元模型 进入 Element，进行有限元网格的划分。 用四节
点四边型平面单元建模，簧片和垫片、减磨降噪片之 间为接触关系，进行网格划分和多点约束，建立的有 限元模型见图 3。
随着计算机技术的飞速发展及应用， 新产品开 发 采 用 现 代 设 计 思 想/工 具 ， 引 入 虚 拟 产 品 开 发 （VPD，Virtual Product Development）的设计理念。 在 进行汽车钢板弹簧研制的早期阶段， 用先进的仿真
收 稿 日 期 ：2008-12-05
分析软件，建立虚拟样机进行虚拟仿真，完成汽车钢 板弹簧性能参数和强度校核仿真分析， 以此指导汽 车钢板弹簧的详细设计，及早发现设计缺陷，减少物 理样机试验，达到以最短的时间、最低的成本、最高 的质量开发新产品的目的。
在 Input Properties 中输入弹性模量与泊松比， 最后 Apply 完成。 2.5 创建物理特性
进入 Properties，对物理特性进行定义。 本例中 有三种物理特性需要进行定义， 创建物理特性的 过 程 为 ：Create →2D →Surface， 输 入 Property set name， 选择积分方式 （橡 胶 材 料 应 选 择 Herrmann 积 分 ）， 点 击 Input Properties 选 项 ， 在 弹 出 的 对 话 框中选取相应的材料 （第四步中创建的材料），完 成 后 OK 退 出 此 对 话 框 ， 再 在 Application Region 中 选 取 要 施 加 此 物 理 特 性 的 单 元 ， 最 后 Apply 完 成。 2.6 创建工况
试验次数，提高设计质量，缩短设计周期。
关键词：汽车钢板弹簧；仿真；设计
中 图 分 类 号 ：U463.334
文 献 标 志 50（2009）03-0061－04
The Application of Emulation Analysis on Auto Leaf Spring Design
TANG Yin-xia （Dongfeng Motor Suspension Spring Co. Ltd.，Shiyan 442046，China） Abstract: In this paper， a method by which using MSC.AFEA analysis software to emulate auto leaf spring is studied. The emulation analysis results of the assembly pressures， stiffness， stress， ending displacement etc. of new auto leaf spring compared with design calculation and sample test result， By Modifying the design according to the comparison information， times of samples test can be reduced so it brings about a shorter Period of design cycle. And the quality of design can also be improved. Key words: automotive leaf spring；emulation；design
进入到 Analysis 模式下， 提交分析。 具体过程 为：Analyze→Entire Model→Full Run。 2.8 后处理
（2）加 载 过 程 工 况 的 创 建 过 程 为 ： Create， 在 Load Case Name 中 输 入 名 字 ， 在 Input Data 中 选 择要加载的边界条件，包括第三步中创建的第 1、 2、4 个 位 移 和 力 还 有 所 有 的 接 触 体 ， 完 成 后 OK， 最 后 Apply 完 成 。 2.7 进行分析
进入 Load Cases，定义工况。 本例中包含两种工 况，一是预压过程的工况，一是加载过程的工况。
（1）预压过程工况的创建过程为： Create，在 Load Case Name 中输入名字， 在 Input Data 中选择要加载 的边界条件，包括第三步中创建的第 1、2、3 个位移和 所有的接触体，完成后点击 OK，最后 Apply 完成。
图 3 划分网格后的有限元模型
2.3 施加载荷和设定边界条件 进入 Loads/BCs，施加载荷和设定边界条件。 为
模拟仿真中心螺栓拧紧后钢板弹簧总成装配预应 力， 设定最下面一片簧片底面中间部位垂直位移为 零，下端施加 x、y、z 三个方向约束，第一片上面中间 部位沿受压方向的垂直位移等于各簧片间的间隙之 和。又假设钢板弹簧只承受垂直载荷，不考虑横向和 扭转力的作用，只在卷耳中心施加向下集中载荷，因 取一半模型分析，在对称面施加对称约束条件。施加 载荷和设定边界条件的模型见图 4。
汽车钢板弹簧装配前后是具有一定曲率半径的
弧形，而不是平直的，要进行精确仿真分析首先要建 立一个精确的几何模型。 Pro/Engineer 参数化特性造 型的功能是它的一个主要功能，它贯穿于整个系统， 包括特征、曲面、曲线以及线框模型等。 为建立精确 的几何模型，汽车钢板弹簧使用 Pro/Engineer Wildfire 3.0 进行建模。
建 立 力 约 束 的 过 程 为 ：Create→Force→Nodal， 然后输入 New set name， 在 Input Data 中输入力的 值， 然后在 Select Application Region 中选择要赋予 的单元（此处要用到网格划分中建立的 MPC），最后 Apply 完成。
为所有的簧片、垫片、减磨降噪片定义接触。 以 第 一 片 簧 片 为 例 ， 建 立 接 触 的 过 程 为 ：Create→Contact→Element Uniform， 然 后 输 入 New set name，在 Target Element Type 中选择 3D 或 2D，然后在 Select Application Region 中选择要赋予的三维实体或二维 曲面，最后 Apply 完成。
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1.2 建立有限元模型 利用 MSC.AFEA 直接生成汽车钢板弹簧有限
元 网 格 的 方 法 ：Create→Mesh→Solid 或 Surface， 在 Mesher 选项中选择 IsoMesh， 然后再选择要进行网 格划分的实体， 最后给定一个值或者接受系统自动 给出的值后单击 Apply 完成网格划分。
5 结论
通过对该型轿车的制动踏板进行有限元分析以 及试验结果相比较，验证了该踏板分析结果正确，为 踏板设计开发提供了有力的依据， 从而避免了设计 中的盲目性，减少了设计成本，缩短了设计周期。
参考文献： ［1］ QC/T 788-2007，汽车踏板装置性能要求及台架试验方法
［s］. ［2］小飒工作室.最新经典 ANSYS 及 Workbench 教 程 ［M］. 北
应 用 MSC.AFEA 结 构 分 析 模 块 进 行 汽 车 钢 板 弹簧仿真分析的基本操作分为建模和分析两部分。 建 模 过 程 包 括 几 何 建 模 （Geometry）、 有 限 元 建 模 （Elements）、载 荷 和 边 界 条 件 的 定 义 （Loads/BCs）、 材 料 本 构 关 系 定 义 （Materials）、 单 元 属 性 定 义 （Properties）、工况定义（Load Cases）等。 分析过程包括分析 过程定义及作业提交 （Analysis） 和结果查看（Results/Insight/XY Plot）。
2 一种汽车钢板弹簧的仿真
对一种汽车钢板弹簧进行仿真分析， 该汽车钢 板弹簧共有四片簧片、三个垫片和三个减磨降噪片。 2.1 建立几何模型
新建一个.db 文件；File→Import，打开 Import 对 话框后，选择 Source 中的 Pro/Engineer，然后从路径
仿真分析在汽车钢板弹簧设计中的应用 ／ 汤银霞
新建一个数据库文件 创建或读取几何模型
选择分析求解器
显示分析结果（后处理） 提交分析
设置分析参数 定义材料特性和单元特性
划分有限元网格
施加载荷和设定边界条件
图 1 仿真分析流程
1.1 几何建模 MSC.AFEA 提供了一系列的 几 何 建 模 功 能 ，并
具有较强的几何模型直接访问技术 （Direct Geometry Access）， 可 在 同 步 的 工 程 环 境 下 从 CATIA、 SolidWorks、Pro/Engineer 等 CAD 软件系统中读取几 何模型以及参数和特征。
对于汽车钢板弹簧而言， 还需建立多点约束 （MPC，Mulit—Point Constraint） 为后面加载做准备， 即在板簧卷耳处增加一个点， 通过对这一点加载达 到对整个钢板弹簧施加载荷的目的。 建立汽车钢板 弹 簧 多 点 约 束 的 方 法 ：Create→MPC→Rigid （Fixed）， 然 后 点 击 Define Terms 激 活 对 话 框 ， 分 别 Create Dependent 和 Create Independent， 完成以上 步 骤 后 再 Apply。 1.3 加载和边界条件
京 ：电 子 工 业 出 版 社 ，2004.
·61·
计算机应用
汽车科技第 3 期 2009 年 5 月
1 汽车钢板弹簧仿真方法
国内业界已经有应用 ANSYS 普通结构分析模 块对汽车钢板弹簧进行计算分析的报告， 在此利用 MSC.AFEA 中的结构分析模块来进行汽车钢板弹簧 装配预应力、刚度、应力、端部位移等进行仿真分析。 MSC.AFEA 是 美 国 MSC.Software 公 司 开 发 的 由 MSC. Patran 和高级非线性有限元软件 MSC.Marc 联 合组成的仿真软件， 可以完成结构分析、 热分析和 热—结构耦合分析三大类仿真分析任务。
加载频率由泵站的变量叶片的输出流量调整。 其系 统原理框图如图 9 所示。
程的 85％±5%；每个项目进行 3 个样件测试，结果均 符合要求。
工控机
换向阀
液压系统
应力测试仪
制
加载油缸
动
踏
板
A／D
位移传感器
图 9 试验台系统原理示意图
（2）试验方案与结果。按实车状态在夹具上固定 踏板总成， 并将踏板的输出端与制动主缸在踏板工 作行程的中间位置固定， 进行纵向力和侧向力的测 试； 耐久性试验将踏板输出端与模拟负载装置相连 接，加载频率为 0.7~3 Hz，加载行程为踏板设计全行
加载分两个载荷步组成。 第一个载荷步模拟中 间螺栓拧紧时各簧片的变形、 应力响应和接触情况 及接触应力。 第二个载荷步是模拟在卷耳中心施加 载荷时，钢板弹簧总成变形、应力响应及簧片间的接 触情况。
建 立 位 移 约 束 的 过 程 为 ：Create →Displacement→Nodal，然后输入 New set name，在 Input Data 中输入位移的值， 然后在 Select Application Region 中选择要赋予的单元，最后 Apply 完成。
仿真分析在汽车钢板弹簧设计中的应用 ／ 汤银霞
计算机应用
仿真分析在汽车钢板弹簧设计中的应用
汤银霞
（东风汽车悬架弹簧有限公司，十堰 442046）
摘要：研究了利用 MSC.AFEA 分析软件对汽车钢板弹簧进行仿真分析的方法，将某汽车钢板弹簧的装配预应力、刚
度、应力、端部位移等仿真结果与理论计算和样品试验结果进行对比，根据对比分析结果修正设计，减少了物理样机
计算机应用
中选取要导入的文件。 由于该汽车钢板弹簧为对称 结构，受对称载荷和约束，为简化模型，只取真实模 型的一半分析。 为减小计算量，提高计算速度，建立 二维几何模型见图 2。
图 2 平面几何模型
2.2 建立有限元模型 进入 Element，进行有限元网格的划分。 用四节
点四边型平面单元建模，簧片和垫片、减磨降噪片之 间为接触关系，进行网格划分和多点约束，建立的有 限元模型见图 3。
随着计算机技术的飞速发展及应用， 新产品开 发 采 用 现 代 设 计 思 想/工 具 ， 引 入 虚 拟 产 品 开 发 （VPD，Virtual Product Development）的设计理念。 在 进行汽车钢板弹簧研制的早期阶段， 用先进的仿真
收 稿 日 期 ：2008-12-05
分析软件，建立虚拟样机进行虚拟仿真，完成汽车钢 板弹簧性能参数和强度校核仿真分析， 以此指导汽 车钢板弹簧的详细设计，及早发现设计缺陷，减少物 理样机试验，达到以最短的时间、最低的成本、最高 的质量开发新产品的目的。
在 Input Properties 中输入弹性模量与泊松比， 最后 Apply 完成。 2.5 创建物理特性
进入 Properties，对物理特性进行定义。 本例中 有三种物理特性需要进行定义， 创建物理特性的 过 程 为 ：Create →2D →Surface， 输 入 Property set name， 选择积分方式 （橡 胶 材 料 应 选 择 Herrmann 积 分 ）， 点 击 Input Properties 选 项 ， 在 弹 出 的 对 话 框中选取相应的材料 （第四步中创建的材料），完 成 后 OK 退 出 此 对 话 框 ， 再 在 Application Region 中 选 取 要 施 加 此 物 理 特 性 的 单 元 ， 最 后 Apply 完 成。 2.6 创建工况
试验次数，提高设计质量，缩短设计周期。
关键词：汽车钢板弹簧；仿真；设计
中 图 分 类 号 ：U463.334
文 献 标 志 50（2009）03-0061－04
The Application of Emulation Analysis on Auto Leaf Spring Design
TANG Yin-xia （Dongfeng Motor Suspension Spring Co. Ltd.，Shiyan 442046，China） Abstract: In this paper， a method by which using MSC.AFEA analysis software to emulate auto leaf spring is studied. The emulation analysis results of the assembly pressures， stiffness， stress， ending displacement etc. of new auto leaf spring compared with design calculation and sample test result， By Modifying the design according to the comparison information， times of samples test can be reduced so it brings about a shorter Period of design cycle. And the quality of design can also be improved. Key words: automotive leaf spring；emulation；design
进入到 Analysis 模式下， 提交分析。 具体过程 为：Analyze→Entire Model→Full Run。 2.8 后处理
（2）加 载 过 程 工 况 的 创 建 过 程 为 ： Create， 在 Load Case Name 中 输 入 名 字 ， 在 Input Data 中 选 择要加载的边界条件，包括第三步中创建的第 1、 2、4 个 位 移 和 力 还 有 所 有 的 接 触 体 ， 完 成 后 OK， 最 后 Apply 完 成 。 2.7 进行分析
进入 Load Cases，定义工况。 本例中包含两种工 况，一是预压过程的工况，一是加载过程的工况。
（1）预压过程工况的创建过程为： Create，在 Load Case Name 中输入名字， 在 Input Data 中选择要加载 的边界条件，包括第三步中创建的第 1、2、3 个位移和 所有的接触体，完成后点击 OK，最后 Apply 完成。
图 3 划分网格后的有限元模型
2.3 施加载荷和设定边界条件 进入 Loads/BCs，施加载荷和设定边界条件。 为
模拟仿真中心螺栓拧紧后钢板弹簧总成装配预应 力， 设定最下面一片簧片底面中间部位垂直位移为 零，下端施加 x、y、z 三个方向约束，第一片上面中间 部位沿受压方向的垂直位移等于各簧片间的间隙之 和。又假设钢板弹簧只承受垂直载荷，不考虑横向和 扭转力的作用，只在卷耳中心施加向下集中载荷，因 取一半模型分析，在对称面施加对称约束条件。施加 载荷和设定边界条件的模型见图 4。
汽车钢板弹簧装配前后是具有一定曲率半径的
弧形，而不是平直的，要进行精确仿真分析首先要建 立一个精确的几何模型。 Pro/Engineer 参数化特性造 型的功能是它的一个主要功能，它贯穿于整个系统， 包括特征、曲面、曲线以及线框模型等。 为建立精确 的几何模型，汽车钢板弹簧使用 Pro/Engineer Wildfire 3.0 进行建模。
建 立 力 约 束 的 过 程 为 ：Create→Force→Nodal， 然后输入 New set name， 在 Input Data 中输入力的 值， 然后在 Select Application Region 中选择要赋予 的单元（此处要用到网格划分中建立的 MPC），最后 Apply 完成。
为所有的簧片、垫片、减磨降噪片定义接触。 以 第 一 片 簧 片 为 例 ， 建 立 接 触 的 过 程 为 ：Create→Contact→Element Uniform， 然 后 输 入 New set name，在 Target Element Type 中选择 3D 或 2D，然后在 Select Application Region 中选择要赋予的三维实体或二维 曲面，最后 Apply 完成。
·62·
1.2 建立有限元模型 利用 MSC.AFEA 直接生成汽车钢板弹簧有限
元 网 格 的 方 法 ：Create→Mesh→Solid 或 Surface， 在 Mesher 选项中选择 IsoMesh， 然后再选择要进行网 格划分的实体， 最后给定一个值或者接受系统自动 给出的值后单击 Apply 完成网格划分。
5 结论
通过对该型轿车的制动踏板进行有限元分析以 及试验结果相比较，验证了该踏板分析结果正确，为 踏板设计开发提供了有力的依据， 从而避免了设计 中的盲目性，减少了设计成本，缩短了设计周期。
参考文献： ［1］ QC/T 788-2007，汽车踏板装置性能要求及台架试验方法
［s］. ［2］小飒工作室.最新经典 ANSYS 及 Workbench 教 程 ［M］. 北
应 用 MSC.AFEA 结 构 分 析 模 块 进 行 汽 车 钢 板 弹簧仿真分析的基本操作分为建模和分析两部分。 建 模 过 程 包 括 几 何 建 模 （Geometry）、 有 限 元 建 模 （Elements）、载 荷 和 边 界 条 件 的 定 义 （Loads/BCs）、 材 料 本 构 关 系 定 义 （Materials）、 单 元 属 性 定 义 （Properties）、工况定义（Load Cases）等。 分析过程包括分析 过程定义及作业提交 （Analysis） 和结果查看（Results/Insight/XY Plot）。
2 一种汽车钢板弹簧的仿真
对一种汽车钢板弹簧进行仿真分析， 该汽车钢 板弹簧共有四片簧片、三个垫片和三个减磨降噪片。 2.1 建立几何模型
新建一个.db 文件；File→Import，打开 Import 对 话框后，选择 Source 中的 Pro/Engineer，然后从路径
仿真分析在汽车钢板弹簧设计中的应用 ／ 汤银霞