钢板弹簧的有限元分析
重卡钢板弹簧U形螺栓有限元分析
重卡钢板弹簧U形螺栓有限元分析时间：2011-05-16 12:48:14 来源：（三一重工工程车辆研究院）袁根旺，赵季华，石迁, 邓星雄, 陈祥仕,翟计托摘要：本文以重卡钢板弹簧U形螺栓为研究对象，对其进行有限元建模和分析，并与试验数据对比，验证了有限元模型的准确性。
在此基础上，通过有限元分析，探讨两U形螺栓距离和U形螺栓预紧力的大小变化，对钢板弹簧和U形螺栓内部应力的影响，为钢板弹簧和U形螺栓的设计提供了依据。
Abstract：This paper sets up the analysis model of leaf spring and U-bolts on heavy truck. The analysis result was compared with the test result. Therefore the validity of the FEM model was proved. With the help of finite element method the relationship between the install distance ofU-bolts and the stresses in leaf spring and in bolts was investigated. Furthermore the influence of assembly preload of U-bolts on the change of stresses in leaf springs and in U-bolts was analyzed as well. The results can provide reasonable reference for design of leaf springs and U-bolts.前言钢板弹簧把车架和车桥弹性连接起来，除承受和传递各向作用力外，还起缓冲作用。
92_汽车钢板弹簧建模与非线性有限元分析_卢晨霞
5 分析结果
进行求解后，查看位移-载荷曲线。分别计算摩擦因数 =0，
=0.15， =0.3 时，钢板
弹簧加载和卸载过程的载荷-变形曲线，得到下盖板中心点载荷-变形曲线如图 8 所示。
80 60 40 20 载荷/KN 0
F0 F15 F30
-20 -40 -60 -80 0 10 20 30 40 变形/mm 50 60 70 80
（a）
U 型螺栓、中心螺栓的模型 图 2 有限元模型
（b）
卷耳销轴的模型
每两层钢板间利用 4 根圆截面直径为 0.1mm 的 bar2 模拟柔性连接。 用 Rbe2 单元 （rigid） 将最后一层钢板螺栓孔中心点建立与下面板 dof13456 方向的连接。
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Altair 2011 HyperWorks 技术大会论文集
Modeling and non-linear finite element analysis of vehicle leaf springs
Lu Chenxia，Wang Pengbo Changan Auto R&D Center,Beijing 100081 ABSTRACT:A finite element model of plate springs was created and contact elements to simulate the friction between the plates were added onto the contact surfaces with the HyperMesh software. Under the condition of making a full consideration about the preload of the center bolt and U bolt , the stiffness of the leaf springs was calculated. A reasonable result which reveals how different friction coefficient affects leaf spring hysteresis characteristics was obtained. Finally, a conclusion was drew in this paper that this model can be used to study the stress involving the friction between the steel plates and to explore the process of nonlinear finite element analysis on stiffness and hysteresis characteristics of leaf springs. KEYWORDS: leaf springs finite element hysteresis characteristics contact analysis
基于有限元的钢板弹簧应力分析
基于有限元的钢板弹簧应力分析蒋阳西华大学交通与汽车工程学院摘 要：本文讨论了利用ANSYS 软件对钢板弹簧进行映射网格划分，并在两簧片的接触区域生成ANSYS 软件所提供的接触单元，建立起多片钢板弹簧的有限元模型。
分析了施加预负荷和工作负荷时，板簧应力值显著增长的部位，从而预测板簧产生断裂的部位，可为改进设计提供指导作用。
关键词：板簧、仿真、模态1引言钢板弹簧具有结构简单，制造、维修方便，除了作为弹性元件外，还可兼起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用，其片间的接触、摩擦在弹簧振动时还将起到阻尼的作用，是重要的高负荷安全部件，目前在商用车上仍被广泛采用[1]。
传统的钢板弹簧设计方法分为：三角形板计算法，板端接触法，共同曲率法[2]。
上述三种计算方法对实际工作中的钢板弹簧进行简化，并不能反应实际工作中存在的复杂的非线性状态以及接触情况。
本文利用有限元分析软件ANSYS，对十片钢板弹簧的装配过程和工作过程进行计算分析的基础上， 求得在预负荷和工作负荷作用下的应力与位移等响应情况，为实际钢板弹簧的设计中确定参数提供了依据。
2计算模型的建立某车型的板簧总成的三维实体结构见图1。
板簧建模时，考虑板簧总成对称性，同时为了方便建模，取其1/4为研究对象。
通过单元solid45划分网格之后，得到12390个单元和12348个节点。
图1 板簧的三维模型图3钢板弹簧的材料属性和网格划分钢板弹簧的材料为60CrMnBa，弹性模量为206GPa，泊松比为0.26。
solid45单元用于构造三维实体结构。
单元通过8个节点来定义,每个节点有3个沿着xyz方向平移的自由度。
该六面体单元有8个节点，每个节点具有X、Y、Z 三个方向的平动自由度，可以进行塑性分析、蠕变分析、膨胀分析、应力硬化分析、大变形分析和大应变能力[1]。
用单元solid45划分网格之后，得到12390个单元和12348个节点。
4钢板弹簧的片间接触单元的建立钢板弹簧总成的片与片之间，接触与否事先未知，而且接触后存在着滑移，所以在片与片的节点间建立接触单元，模拟片间的作用力。
钢板弹簧简化模型有限元分析
湖北汽车工业学院Hubei Automotive Industries Institute分析计算说明书课程名称车辆工程专业课程设计设计题目钢板弹簧简化模型的有限元分析班级 T843-2 专业车辆工程学号 20080430232 学生姓名杨强指导教师（签字）起止日期2011年 12 月 19 日- 2011 年 12 月 30 日2012年 2 月 20 日- 2012 年 2 月 24 日目录1 引言 (3)2设计要求 (3)3 分析所用数据 (4)4 分析过程 (4)4.1简化模型一的分析过程 (4)4.1.1模型的建立及网格划分 (4)4.1.2 加载与求解 (6)4.1.3 收敛性分析 (12)4.2简化模型2的分析过程 (14)4.2.1建模 (14)4.2.2网格划分 (14)4.2.3加载与求解 (15)4.2.4简化模型二的优化设计 (18)5 课程设计的心得体会 (22)6 参考文献 (22)钢板弹簧简化模型的有限元分析1 引言钢板弹簧是汽车非独立悬挂装置中常用的一种弹性元件。
其作用是传递车轮与车身之间的力和力矩，缓和由于路面不平而传递给车身的冲击载荷，衰减冲击载荷所引起的振动，保证车辆的行驶平顺性。
钢板弹簧结构简单，维修方便，成本低廉，在悬挂系统中可兼起导向作用，因此得到极为广泛的应用，其疲劳特性与阻尼特性对车辆行驶的可靠性和安全性有重要意义。
本文对钢板弹簧简化模型结构进行有限元分析，弄清楚其应力分布的规律。
采用各种网格对模型对模型划分，并作出了比较，计算了模型的最大misses应力和变形，用对称结构进行了计算，用目标驱动优化功能对模型做了结构优化设计。
2设计要求图2.1如图2.1所示钢板弹簧的简化模型，受力情况如上，要求：（1）采用四面体，六面体及自由方式进行网格划分，计算各情况的钢板弹簧三维简化模型的最大misses应力，变形和安全系数；（2）采用二维单元计算模型的最大misses应力，变形；利用结构的对称性对二维模型进行计算；（3）若钢板弹簧简化模型改为图2.2，分析结构的三维简化模型的最大misses应力，变形和安全系数；图2.2（4）利用参数化研究与目标驱动的优化功能对结构进行优化设计；3 分析所用数据（1）板长900mm，宽250mm,厚25mm；（2）材料弹性模量211Gpa，泊松比0.3；（3）左右两侧各受到大小4500N的集中力；（4）中部沿宽度方向受到铅垂方向的约束；4 分析过程4.1简化模型一的分析过程：4.1.1模型的建立及网格划分：模型的建立如图4.1所示图4.1（1）采用solid187（10 Node Quadratic Tetrahedron）对模型网格划分：(单元大小：5mm) 得到节点数：206919 单元数：129894 如图4.2所示图4.2（2）采用六面体网格划分：所用到的单元为：Solid187（10 Node Quadratic Tetrahedron）Solid186（20 Node Quadratic Hexahedron）Solid186（20 Node Quadratic Wedge）Solid186（20 Node Quadratic Pyramid）得到的节点数：112079 单元数：24151 如图4.3所示图4.3（3）采用扫掠方式划分：所用到的单元：Solid186（20 Node Quadratic Hexahedron）Solid186（20 Node Quadratic Wedge）得到节点数：111485 单元数：23535 如图4.4所示图4.44.1.2 加载与求解采用四面体单元进行分析计算如下：（1）约束及加载如下：两个集中力加载在两个尖角的线上，固定支撑在底面的线上如图4.5所示图4.5求解结果如图4.6所示：位移图：最大位移3.245mm图4.6应力图如图4.7所示：最大应力960.02Mpa图4.7（2）上述结果应力值较大，出现了奇异，最大应力的部位均位于两个尖角处，且区域很小，分析可能是与实际的工况不符合，加载方式不合实际，改进如下：将中间的固定约束施加在中间整个面上，再进行求解如下：得到结果如下所示：位移图如图4.8所示：最大位移2.2374mm应力图如图4.9所示：最大应力960.02 Mpa图4.9（3）可以看出应力并没有变化，可能是两端的集中力的施加位置不合实际，考虑到钢板弹簧两端和各有一个卷耳，套在U型螺栓上，故集中力应施加在一个区域上，由一定的面积来承受此力，想到将此集中力施加在两个边角处，具体操作通过添加一个印记面来实现，如下图所示：三角形的底边长50mm，如图4.10所示图4.10网格划分采用四面体，size设置为5mm，约束低面的一条线固定支撑，集中力加载在两个印记面上：求解后最大应力为162.74Mpa,应力图如图4.11所示，应力减小较多，可见两个集中力的影响较为显著。
搅拌车前悬架钢板弹簧的计算分析及试验研究（终稿）学位论文
搅拌车前悬架钢板弹簧的计算分析及试验研究（终稿）学位论文摘要随着我国基础设施建设的快速发展，混凝土搅拌运输车作为一种运输混凝土的专用车被广泛应用。
其施工过程一般由满载运料和空载返回两种状态组成，在整个过程中满载和空载的时间各占50%。
目前混凝土搅拌运输车的前悬架设计指标一般只考虑满载舒适安全的要求，而不考虑空载状态，导致空载时有明显的共振现象，严重影响搅拌车的舒适性。
在悬架装置中，钢板弹簧起传递车轮与车架之间的力和力矩,缓和路面不平引起振动和冲击的作用，是车辆设计优劣的关键之一，因此优化其结构和性能参数对车辆安全性和舒适性具有重要意义。
在各类钢板弹簧中，变刚度少片簧因结构简单，成本低，质量轻，适应性好等优点，已成为悬架装置研究的重点，是未来高性能搅拌车前悬架装置的发展趋势。
本文通过前期大量的调查和研究，拟设计一种搅拌车专用前悬架变刚度少片簧，使其既能保证搅拌车满载时的行驶安全，又能大大提高空载时的乘坐舒适性能。
首先，对比分析各类钢板弹簧的特性，选择变刚度钢板簧作为研究目标；其次，根据多种理论方法，建立钢板弹簧的数学模型，并进行应力和模态分析，得到一种满足要求的变刚度少片簧；最后通过台架试验和道路试验，验证仿真分析结论。
本研究既解决了搅拌车使用中遇到的现实问题，同时也促进了专用车设计水平的发展，在理论应用方面有积极意义。
关键词：混凝土搅拌运输车钢板弹簧仿真应用Abstract目录摘要 1Abstract 2目录 3第一章绪论 51.1 研究目的和意义 51.2．载货汽车用钢板弹簧的概况 51.3、钢板弹簧的特性 61.3.1多片钢板弹簧的特性61.3.2少片变截面钢板弹簧的特性81.4、钢板弹簧的功能结构 81.5、钢板弹簧应用中存在的舒适性问题 101.6本课题研究内容和意义11第二章钢板弹簧的计算模型分析132.1 钢板弹簧的力学模型概况132.2 钢板弹簧计算的材料力学基础132.2.1 等截面简支梁和悬臂梁132.2.2 梯形简支梁和梯形悬臂梁152.3共同曲率法172.3.1板片厚度相同的多板弹簧的计算172.3.2 板厚不同的多板簧计算182.4 集中载荷法202.5 综合法222.6 有限元分析法242.6.1 什么是有限元242.6.2 有限元法的发展概况252.6.3 通用有限元软件ANSYS的介绍262.6.4结构分析在ANSYS的实现262.7多片钢板弹簧有限元模型的建立272.7.1 多片钢板弹簧强度和刚度分析272.7.2 多片钢板弹簧模态分析322.7.3 多片钢板弹簧有限元计算结果分析34 2.7.4本章小结35 第三章钢板弹簧的试验研究与分析 363.1 试验项目及其方法363.1.1 弹簧特性试验363.1.2 台架疲劳试验363.2试验验证373.2.1试验对象373.2.2 试验条件383.3试验过程简介383.4 样车的试验分析383.4.1 激励源识别383.4.2 悬架参数的影响分析403.4.3 悬架参数调整的测试验证41 3.4.4 样车改善对策413.4.5 结论423.5 改进前少片簧应力道路试验43 3.5.1 试验用少片钢板弹簧433.5.2 试验状态433.5.3 试验结果443.6 改进后少片簧应力台架试验45 3.6.1 试验用少片钢板弹簧453.6.2 测试状态 463.6.3 试验结果 463.6.4 试验分析473.7 改进后少片簧整车道路试验48 3.7.1 试验用少片钢板弹簧493.7.2 台架试验 493.7.3 道路试验493.8 本章小结493.9 整车振动对比试验503.9.1 试验测试基本情况及环境状况50 3.9.2 试验测试513.9.3本章小结54四总结 554.1研究的主要内容554.2研究展望56第一章绪论1.1 研究背景及意义安全、节能、环保、舒适性和耐久性是衡量现代载货汽车性能的五大指标，其中与顾客使用感受最密切的是车辆的乘坐舒适性，目前已受到各研究机构的广泛重视。
钢板弹簧刚度特性的有限元分析
钢板弹簧刚度特性的有限元分析newmaker1 前言钢板弹簧是汽车中广泛应用的弹性元件，刚度是其重要的物理参量。
因此，在产品试制出来之前，如何更准确的计算其实际刚度就成为大家共同关心的问题。
传统的计算方法，如“共同曲率法”和“集中载荷法”等均存在一定的局限性，在计算中往往需要加入经验修正系数来调整计算结果。
随着计算机的发展，有限元法因其精度高、收敛性好、使用方便等优点逐渐被应用到板簧的设计中。
邹海荣等应用有限元法分析了某渐变刚度钢板弹簧的异常断裂问题，提出了避免此种断裂的改进措施。
胡玉梅等针对某汽车后悬架的钢板弹簧应用Ansys 软件分析了其静态强度特性，给出了钢板弹簧在不同载荷作用下的应力分布，计算结果与试验符合的较好。
谷安涛则讨论了应用有限元法设计钢板弹簧的一般流程，给出了设计的示例。
有限元法的最大优点之一就是可以仿真设计对象的实际工作状态，因而可以部分代替试验，指导精确设计。
汽车钢板弹簧存在非线性和迟滞特性。
应用有限元法进行分析时需要考虑大变形及接触，即需要同时考虑几何非线性和状态非线性，这将使得计算不容易收敛，因而需要较高的求解技巧及分析策略。
本文采用Nastran的非线性分析模块分析了某钢板弹簧的刚度特性，讨论了摩擦对其性能的影响，其分析流程及结果可以为同类型产品的设计提供参考。
2 钢板弹簧刚度的计算方法传统的计算方法有“共同曲率法”和“集中载荷法”。
此外，国内学者郭孔辉针对共同曲率法中存在的固有缺陷，提出了一种称为主片分析法的计算方法，田光宇等则针对集中载荷法的固有缺陷，提出了改进的集中载荷法。
这些方法的出发点都是把板簧各片看成是等截面的悬臂梁，不考虑板簧各片之间的摩擦和板簧变形过程中的大变形特性，采用经典梁公式计算第1叶片的端点挠度，进而求得板簧的刚度。
2.1共同曲率法共同曲率法由前苏联的帕尔希洛夫斯基提出，其基本假设为板簧受载后各叶片在任一截面上都有相同的曲率，即把整个板簧看成是一变截面梁，由此推出对称板簧的刚度计算公式如下：2.2集中载荷法集中载荷法的基本假设为板簧各叶片仅在端部相互接触，即假定第i片与第i-1片之间仅有端部的一个接触点，接触力为Pi，并且在接触点处两相邻叶片的挠度相等。
小型货车钢板弹簧结构有限元仿真设计毕业论
摘要钢板弹簧具有结构简单、工作可靠、价格低廉等优点，在汽车中被广泛地使用。
它在工作过程中存在大变形、叶片间的接触等多种非线性因素，故多年来一直没有形成一个比较切合实际的完善的设计与分析方法。
集中载荷法、共同曲率法等传统设计方法以线弹性理论为依据，把问题抽象为简单的数学、力学模型，并应用材料力学公式进行粗略计算，一般计算结果与实际情况差别较大。
随着汽车向轻量化和高速化发展，对悬架的要求越来越高。
显然，传统设计方法已经不能适应现代汽车发展对悬架的要求。
近年来，随着有限元技术、CAE技术的不断发展以及在工程中的成功应用，以计算机为工具、有限元分析为基础的CAE法正逐渐成为汽车设计的主流。
应用CAE法进行钢板弹簧设计可以同时考虑到结构的大变形、摩擦、簧片间的接触以及组装时的预应力和工作应力的结合，从而实现对钢板弹簧的精确设计。
本文根据汽车设计的要求对悬架中的钢板弹簧进行了设计和计算，并使用UG进行建模，然后应用ABAQUS有限元分析软件进行了受力分析和仿真设计和计算。
关键词：钢板弹簧 ABAQUS 有限元Jubilee wagon spring structure finite element simulationdesignABSTRACTThe spring has the structure simply, the work reliable, the price inexpensive and so on the merits, widely is used in the automobile. It has contact between the big distortion, leaf blade's in the work process and so on many kinds of non-linear factors, therefore for many years has not formed of a quite realistic perfect design and the analysis method. Traditional design methods and so on concentrated load law, common curvature law take the line theory of elasticity as the bases, abstracts the question as the simple mathematics, mechanics model, and carries on the rapid calculation using the materials mechanics formula, the general computed result and the actual situation difference are big. Along with the automobile to the lightweight and the high speed development, is more and more high to the suspension fork request. Obviously, the traditional design method already could not adapt the modern automobile development to the suspension fork request.In recent years, along with the finite element technology, the CAE technology unceasing development as well as in the project success application,take the computer as the tool, the finite element analysis was becoming the automobile design gradually for the foundation CAE law the mainstream.Carries on the spring design using the CAE law to be possible simultaneously to consider the structure the bigdistortion ,contact as well as assembly between friction, time reed pre-stressed and working stress union, thus realizes to the spring precise design.This article according to the automobile design the request to carry on the design and the computation to in the suspension fork spring, and used UG to carry on the modelling, then has carried on the stress analysis and the simulation design and the computation using the ABAQUS finite element analysis software.Key words: leaf spring, ABAQUS, finite element小型货车钢板弹簧结构有限元仿真设计龚顺聪 0611032680 引言钢板弹簧几何形状简单，传统计算方法应用梁理论，简单地看是合理的，实际上远不如此。
钢板弹簧迟滞特性的有限元分析
2003003钢板弹簧迟滞特性的有限元分析丁能根马建军(北京航空航天大学,北京 100083)(安凯汽车股份有限公司,合肥 230051) [摘要] 利用ANSYS 有限元软件提供的面-面接触单元,分析了钢板弹簧的迟滞特性,叶片间的正压力和摩擦力用这些接触单元的节点力来代替;给出了加载和卸载过程的载荷-变形特性图;并结合实例分析了不同摩擦系数对钢板弹簧迟滞特性和阻尼特性的影响。
此外,还分析了钢板弹簧在受到不同频率和振幅的正弦激励时所产生的等效阻尼。
叙词:钢板弹簧,迟滞特性,有限元Finite Element Analysis on the Hysteresis Behavior of Leaf SpringsDing N enggenBeiji ng U niversity of Aeronautics and Ast ronautics ,Beiji ng 100083Ma JianjunA nkai Vehicle Co 1,L t d ,Hef ei 230051 [Abstract] In this paper the hysteresis behavior of leaf springs is analyzed using the face 2to 2face contact element provided by ANSYS FE software ,where node forces of the contact elements replace the normal forces and friction forces between contacting leaves 1The load 2deflection curves during loading and unloading process are presented ,and the influence of different friction coefficients on the hysteresis and damping characteristics is ana 2lyzed with a practical example 1Besides ,the equivalent damping of leaf springs under sinusoidal excitation of dif 2ferent frequencies and amplitudes are also analyzed 1K eyw ords :Leaf springs ,H ysteresis characteristic ,Finite element原稿收到日期为2002年4月5日,修改稿收到日期为2002年6月10日。
基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析
基于ANSYS的汽车钢板弹簧有限元分析作者：徐建全郑永陈铭年来源：《海峡科学》2010年第12期[摘要] 采用APDL参数化有限元分析技术，对某轻型载货汽车的前钢板弹簧进行参数化建模。
应用ANSYS软件的非线性模块，考虑钢板弹簧实际工作过程中的大变形、片间接触和摩擦等多种非线性因素，建立了钢板弹簧的有限元模型，得到了钢板弹簧在不同载荷作用下的变形和应力分布。
[关键字] 钢板弹簧；有限元分析；ANSYS；接触单元引言钢板弹簧是历史最悠久的汽车部件之一，它结构简单、保养维修方便、制造成本低，与其它弹性元件比较，不仅起着弹性元件的作用，而且也能起着导向元件的作用，并且能传递各种力和力矩，其片间的接触、摩擦在弹簧振动时还将起到阻尼的作用，因此是目前汽车悬架特别是货车悬架广泛采用的一种弹性元件[1]。
长期以来，用于刚度计算及应力分析的方法主要有两种:共同曲率法和集中载荷法。
前者假设板簧受载后各簧片在同一截面上都具有相同的曲率，后者假设板簧各片仅在端部相互接触。
但这两种假设都与实际不完全相符,因此计算结果和实际相差较大[2-3]。
本文应用ANSYS 有限元软件对钢板弹簧进行有限元分析，应用点-面接触单元划分板簧片之间可能的接触面，对板簧两端的卷耳、中心螺栓和U型螺栓的约束做了合理的模拟，尽可能的按照实际受载情况对钢板弹簧加载，计算的结果与实际的更加接近。
1 钢板弹簧的有限元建模1.1 钢板弹簧有限元几何模型的建立本文所分析的某轻型载货汽车的前钢板弹簧由10片板簧组成，具体尺寸如表1所示。
其中，片宽都是70 mm，第1与第2片厚度为8 mm，第3片到第10片厚度为7 mm。
1.2 钢板弹簧的材料属性在几何模型建立后进行材料属性的定义，钢板弹簧的材料为60CrMnBa，弹性模量为2.05×105 MPa，泊松比为0.3，屈服极限为1 100 MPa，抗拉强度为1 250 MPa。
1.3 钢板弹簧的网格划分采用ANSYS软件中的SOLID95实体单元进行网格划分，它是SOLID45 (3维8节点)高阶单元形式，此单元能够容许不规则形状，并且不会降低精确性，特别适合边界为曲线的模型；同时，其偏移形状的兼容性好，SOLID95有20个节点，每个节点有3个自由度(X,Y,Z方向)，此单元在空间的方位任意，具有塑性、蠕变、辐射膨胀、应力刚度、大变形以及大应变的能力。
汽车钢板弹簧设计的非线性振动有限元分析
汽车钢板弹簧设计的非线性振动有限元分析马 坚(华中科技大学机械学院,湖北武汉 430000)摘 要:通过有限元建模,利用AN SYS软件对钢板弹簧进行非线性接触CA E分析;通过分析,提出了结构改进方案,消除了钢板弹簧的非线性振动,并提高了其使用寿命。
关键词:钢板弹簧;非线性振动;有限元;CA EAbstract:T h rough the fin ite elem en t CA E m ethod,the au tho r m ade u se of the AN SYS softw are fo r analyzing the non linear vib rati on characteristics of leaf sp ring and then pu t fo rw ard an i m p roving schem e.T he schem e descended the non linear vib rati on and ex tended the lifeti m e.Key words:L eaf sp ring;N on linear vib rati on;F in ite elem en t;CA E中图分类号:U463.33+411 文献标识码:A 文章编号:100623331(2004)0320008202 钢板弹簧悬架传递着作用在车轮与车体之间的一切力和力矩,并能缓和由不平路面传给车身的冲击载荷,保证车辆正常行驶。
现在很多车型都选用了变刚度钢板弹簧,该种钢板弹簧的优点是在客车空载与满载状态之间呈非线性状态,使悬架在客车空载、满载状态下接近等频性,从而可以提高客车的平顺性。
但某型客车在营运过程中时常出现后钢板弹簧断裂的故障,影响行驶安全。
对此我们运用有限元计算方法,做出一些分析,并提出结构上的一些改进措施。
1 故障件分析将发生断裂的钢板弹簧进行归类统计并对断裂件送东风公司技术中心进行金相、硬度、化学成分试验分析,通过分析和统计得出以下结果:(1)所有断裂件多是板簧第二片距中心孔100～150mm左右部位断裂。
汽车钢板弹簧有限元设计分析
摘要钢板弹簧是汽车非独立悬挂装置中常用的一种弹性元件。
其作用是传递车轮与车身之间的力和力矩，缓和由于路面不平而传递给车身的冲击载荷，衰减冲击载荷所引起的振动，保证车辆的行驶平顺性。
钢板弹簧结构简单，维修方便，成本低廉，在悬挂系统中可兼起导向作用，因此得到极为广泛的应用。
本文在对多片钢板弹簧结构应力有限元分析的基础上，对根据课题要求设计的钢板弹簧的合理性进行验证。
利用PRO/E软件建立钢板弹簧的三维实体模型，根据建成的钢板弹簧三维模型，利用ANSYS软件进行映射网格划分，并在两簧片的接触区域生成ANSYS软件所提供的接触单元，建立起多片钢板弹簧的有限元模型。
通过适当的特性选取，模拟簧片间的非线性接触。
模拟装配夹紧过程施加的载荷约束，并计算该过程中钢板弹簧内部产生的预应力，验证钢板弹簧设计的正确性，同时比较了少片变截面钢板弹簧相对于多片变截面钢板弹簧的优势。
关键词：多片钢板弹簧；少片变截面钢板弹簧；有限元；接触；ANSYSABSTRACTLeaf spring is an elastic component often used in dependent-type suspension on modern vehicles.It’s function is transferring the force and moment from wheel to body，decreasing the impact load from road surface，attenuating the vibration which caused by the impact load，assuring the regular running of the vehicle，Leaf spring has simpleness configuration and low manufacturing cost，it’s easy to maintain and as a guide mechanism of the suspension.Those advantages makes leaf spring be used wildly.By using the PRO/E making use of the solid model，a FE model of the multi-leaf spring is constructed by ANSYS mapped mesh.To figure out the nonlinear contact condition of the leaf spring，we use contact element type to simulate the contact region of leaf spring，and treat with the elements’attributes properly.A simulation of multi-leaf spring assemble is performed and the initial stress produced during this process is displayed，compare it to the theoretic value to confirm the FE model.Then simulate the stiffness test and calculate the stiffness value，compare it to real test value.KEY WORDS:Multi-leaf spring;taper-leaf spring;FEM;Contact;ANSYS目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1 钢板弹簧简介 (1)1.2 多片钢板弹簧国内外研究现状 (1)1.3本课题研究的内容和意义 (2)第2章悬架结构形式的选择 (3)2.1 悬架概述 (3)2.2 悬架的结构形式及选择 (3)2.2.1独立悬架 (3)2.2.2非独立悬架 (4)第3章钢板弹簧的设计 (5)3.1 结构设计分析 (5)3.1.1 钢板弹簧的布置方案 (5)3.1.2 钢板弹簧的种类 (5)3.1.3 钢板弹簧断面形状 (7)3.1.4 钢板弹簧叶片端部的形状 (8)3.1.5 弹簧卷耳 (9)3.1.6 弹簧包耳 (10)3.1.7 钢板弹簧中心螺栓 (10)3.1.8 弹簧夹箍 (11)3.2钢板弹簧设计的已知参数 (12)3.2.1 钢板弹簧计算的初始条件 (12)3.2.2 满载弧高 (13)3.2.3 钢板弹簧长度L的确定 (13)3.2.4 钢板断面尺寸及片数的确定 (13)3.3 钢板弹簧各片长度的确定 (14)3.4 钢板弹簧刚度验算 (14)3.5 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 (14)3.5.1 钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 (14)3.5.2 钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 (15)3.6 钢板弹簧总成弧高的核算 (16)3.7 钢板弹簧的强度验算 (17)3.7.1 后钢板弹簧应力分析 (17)3.7.2 钢板弹簧卷耳内径和弹簧销直径确定及其强度核算 (17)3.8 设计总结 (18)3.9少片变截面弹簧的设计计算 (18)第4章基于ANSYS的多片钢板弹簧的有限元分析 (19)4.1 多片钢板弹簧三维模型的建立 (19)4.1.1 Pro/e三维建模简介 (19)4.1.2 钢板弹簧三维模型的建立 (20)4.2 多片钢板弹簧有限元模型的建立 (20)4.2.1有限元分析概述 (20)4.2.2 ANSYS概述 (21)4.2.3 多片钢板弹簧有限元模型的建立 (21)4.2.4 多片钢板弹簧的接触定义 (22)4.3 多片钢板弹簧的计算结果分析 (23)4.3.1 钢板弹簧的装配过程分析 (23)4.3.2 钢板弹簧满载应力分析 (27)4.4 少片变截面钢板弹簧满载应力分析 (28)第5章结论 (29)致谢 (30)参考文献 (31)附录1 图纸潍坊学院本科毕业设计第1章绪论1.1 钢板弹簧简介板弹簧作为悬架的组成部分是汽车上非常重要的一个部件，一般用钢板组成，对整车的性能有着很大的影响。
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试汽车复合材料板弹簧是现代汽车悬挂系统中的一种新型材料弹簧，它由多层玻璃纤维增强环氧树脂层和铝合金层组成。
该材料弹簧具有体积小、重量轻、抗疲劳性能好、寿命长等优点，为汽车行业带来了重大突破。
本文将从有限元分析和性能测试两个方面对汽车复合材料板弹簧进行探讨。
一、有限元分析有限元分析是一种重要的工程计算方法，可以对汽车复合材料板弹簧的力学性能进行数值模拟，以预测材料弹性变形、疲劳寿命、最大承载能力等重要指标。
通过有限元分析模拟，可以更好地理解和优化汽车复合材料板弹簧的设计和制造。
在有限元分析过程中，需要首先建立汽车复合材料板弹簧的三维模型，并对其进行网格化处理。
接着需要根据弹簧的实际工作环境、外载荷和边界条件等因素，建立合适的力学模型。
然后利用有限元软件进行模拟计算，得到板弹簧的应力、应变、位移等物理量分布规律。
最后根据模拟结果进行分析和评估。
在具体的有限元分析中，需要考虑材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数等参数。
还需要考虑板弹簧的几何结构、截面形状、厚度和叠层方式等因素。
这些因素都会对板弹簧的强度、刚度和疲劳寿命等性能产生重要影响。
因此，有限元分析的结果可以为汽车复合材料板弹簧的设计和制造提供重要参考依据。
二、性能测试为了验证有限元分析的结果，需要进行汽车复合材料板弹簧的性能测试。
性能测试可以直接测量弹簧的实际物理量，如位移、应力、应变等，从而检验有限元分析的准确性和信度。
常见的汽车复合材料板弹簧性能测试方法包括三点弯曲试验、循环荷载试验、疲劳寿命试验等。
其中，三点弯曲试验是最基本的试验，可测量板弹簧的弹性模量、屈服强度、极限承载力等力学指标；循环荷载试验可以模拟板弹簧的实际工作环境，测量其疲劳寿命和断裂机理；疲劳寿命试验则可以评价板弹簧在长期疲劳作用下的耐久性和可靠性。
在性能测试中，需要特别注意汽车复合材料板弹簧的热膨胀系数对测试结果的影响。
因为板弹簧由不同的材料复合而成，各层材料的热膨胀系数不一致，容易引起板弹簧在变温作用下的应力和变形。
有限元分析技术在车用少片变截面钢板弹簧研发中的应用
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｗ ｅ ｈａ ｖ ｅ ａ ｐ ｌ ｌ ｉ ｅ ｄ ｔ ｈｅ ＣＡＥ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｂａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｆ ＥＭ ｍｅ ｔ ｈ ｏｄ ａ ｎｄ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ＴＢ４ ２ ８ １ Ｌ Ｅ ｆ ｒ ｏ ｎ ｔ ｓ ｍａ ｌ ｌ ｐ ｉ ｅ ｃ ｅ ｔ ａ ｐｅ ｒ ｅ ｄ ｌ ｅ ａ ｆ ｓ ｐ ｉｎ ｒ ｇ． Ｗ ｅ ｐｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｃ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕｃ ｔ ｔ ｈ ｒ ｏｕ ｇ ｈ ＣＡＥ ａ ｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｂ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ｔ ｈｅ ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ＴＢ４ ２ ８１ ＬＥ ｆ ｒｏ ｎ ｔ ｓ ｍａ ｌ ｌ
板 弹 簧 开 发 模 式
关键 词 ：少 片变截 面钢板 弹簧 ；有 限元 法 ；非 线性 ；接 触 中图分 类号 ：Ｔ Ｇ ５ ４ ７ ；Ｔ Ｂ １ ２ ２ 文献标 识码 ：Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｉ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ２ — ６ ６ ７ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ １ ． ０ ３ ８
Ｖｏ １ ． ２ ６． Ｎｏ． １ Ｊ ａ ｎ． ． ２ ０１ ３
有 限元分析技术在 车用少片变截面钢板弹簧研发 中的应用
少片变截面钢板弹簧的有限元分析_吴娜
第12卷第34期2012年12月1671—1815（2012）34-9435-04科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol.12No.34Dec．2012 2012Sci.Tech.Engrg.少片变截面钢板弹簧的有限元分析吴娜张士强（唐山学院机电工程系，唐山063000）摘要以有限元分析理论为基础，应用ANSYS 分析软件，对少片变截面钢板弹簧进行了静力分析和模态分析。
得到了钢板弹簧满载时的应力分布云图、应力－位移曲线、六阶不同阵型图，为少片钢板弹簧的前期设计开发提供了模态特性预测参数和强度评价及疲劳寿命的科学依据。
关键词有限元少片变截面钢板弹簧静力分析模态分析中图法分类号U463.334.1；文献标志码A2012年8月8日收到第一作者简介：吴娜（1980—），女，河北唐山人，硕士，讲师。
研究方向：机械设计制造CAE /CAM 。
目前在载货汽车上尤其是重型载货汽车上，钢板弹簧是首选的弹性元件［1］。
我国以前一直采用等截面多片（6 18片）结构，虽有坚固、可靠、耐久性强等优点，但本身重量大，耗料多，不利于节能和使汽车自重轻量化［2，3］。
20世纪60年代初美国开始研制少片（1 4片）变截面（在片的长度方面上中心较厚向两端逐渐减薄）钢板弹簧，此后各汽车工业发达国家相继展开对此种产品的研究［4，5］。
本文应用ANSYS 对少片变截面钢板弹簧进行了静力分析和模态分析，得到了板簧满载时的应力变化情况和六阶阵型图，为少片钢板弹簧的设计提供了有效的参考。
1少片变截面钢板弹簧的三维建模以3片变截面钢板弹簧为研究对象，其具体的建模参数如表1所示。
表1少片变截面簧参数/mm片数板厚h 1板厚h 2板宽第一片81440第二片81440第三片81440根据已知钢板弹簧尺寸参数建立的少片变截面钢板弹簧的三维模型如图1所示。
图1少片变截面钢板弹簧的三维模型2少片变截面钢板弹簧的有限元建模将所建立钢板弹簧的三维模型导入到ANSYS后，各板是离散的，在建模时，将各片用节点耦合连接起来，以此来模拟板簧的装配过程。
有限元分析结果
3.4.2钢板弹簧负载时有限元结果分析钢板弹簧在受载时，尤其是超载的状况下，各片板簧应变及内部应力相比夹紧过程又发生了变化。
本研究所做板簧受载分析主要是在装配预应力分析的基础上对板簧进行的超载状况下的受力分析。
求解后在后处理中观察总体模型受压方向变形结果如图3.22所示，从图中可以看出，板簧的最大位移量仍为26.009mm，计算后弹簧的超载刚度为194.39MPa，与共同曲率法计算刚度值接近，验证有限元计算的可靠性。
图3.23 为多片钢板弹簧总体节点等效应变分布云图。
图3.24 至3.31 分别为各片板簧等效应变分布云图，从分析结果可以看出第1 片、第 5 片、第 6 片、第7 片应变较大，最大应变达到0.994*10-3mm，分布在主片簧的中部。
此种工况下板簧的各片最大应力值及应变值如表3.3 所示。
表3.3负载时各片应力及应变值Table 3.3The value of stress and strain of each leaf spring in loading state对比表3.2 和表 3.3，我们可以看出，在超载状态下，钢板弹簧的每片的应力及应变10根据厂家提供的数据，该钢板弹簧的屈服应力为1160Mpa，许用应力为682MPa。
从以上结果可以看出，只有静态时的应力小于其许用应力，给定路况下的动态应力全部超过屈服应力，所以容易断裂，而且应力集中的位置都在第二片弹簧离中心螺孔53—230mm，基本与该钢板弹簧断裂位置相符合，很好地解释了该钢板弹簧的断裂情况。
以上结果是每一种动态激励下产生最大应力时的整个钢板弹簧的应力分布，实际上，在每一种动态激励下，钢板弹簧的应力大小和分布都是动态变化的，第一片弹簧和第二片弹簧之间的状态也是变化的，它们有时接触，有时不接触，是一种典型的非线性。
ANSYS的非线性接触分析正是根据实际的几何结构、材料属性、载荷和边界条件，采用几何边界条件和力学边界条件进行接触状态的判定和迭代，故此能准确地反映其真实的应力状态。
有限元分析实例
5)对活塞进行网格划分，选择[Mesh]一 [Generate Mesh],图形区显示程序自动生成 的六面体网格模型，如图:
6)施加边界条件。加载标定功率工况下活塞的第 三类边界条件，根据下表对活塞各部分进行施加 边界条件。
7)设置需要的结果，选择【Solution(A6 )】，在 工具栏中选择【Thermal】一【Temperature】
5、施加载荷
根据曲柄连杆工 作情况，综合第一类 自由约束和第三类表 面载荷对有限元模型 进行载荷定义。载荷 施加具体如图4，大 小为0.3MPa。
6、运动参数设定
曲柄转速设置 为2.09 rad/s
三、分析结果
1、Total Deformation（总变形 ）
根据分析报告，总变形的最大 值为1.9232mm，在整个运动过程 中其分布呈抛物线状，变形最大 且对结构有危险的是曲柄与连杆、 连杆与活塞杆连接处。这也是设 计中需要校核和加强的地方。
满载应力分析（少片）
最大应力 =280.68MPa<材料许
用应力=1000MPa
结论
1.对板簧的结构与尺寸设计的强度方面的校核与有限元分析 表明校核的结果符合相关技术要求。
2.在相同条件以及同样寿命的前提下，使用少片变截面钢板 弹簧，重量大约比多片弹簧减少50%左右。
基于Workbench 对发动机活塞的温度场分析
位移的最大值=32mm, 装配完成后多片板簧弧高 95.5mm，在设计的装 配弧高101.2±6mm范
围内。
计算结果分析
装配后应力分析
最大应力 =207.468MPa<材料许
用应力=1000MPa
计算结果分析
满载应力分析
最大应力 =203.823MPa<材料许
钢板弹簧简化模型有限元分析答辩.ppt
（3）如下图所示：三角形的底边长50mm
❖ 网格划分采用四面体，size设置为5mm，约束低面 的一条线固定支撑，集中力加载在两个印记面上
❖ 求解后最大应力为162.74Mpa,应力图如下所示，应 力减小较多，可见两个集中力的影响较为显著。
在此基础上再改进约束
（4）将中间的面限制为z方向的零位移，如下
Solid186（20 Node Quadratic Wedge）
3.1.2 加载与求解
采用四面体单元进行分析计算如下： ❖ （1）约束及加载如下：两个集中力加载在两
个尖角的线上，固定支撑在底面的线上
结果如下： ❖ 应力图：最大应力960.02Mpa
❖ 位移图：最大位移3.245mm 应力值较大，出现了奇异 ，最大应力的部位均位于两 个尖角处，且区域很小，分 析可能是与实际的工况不符 合，加载方式不合实际
2.4101mm
5集中力印记面， 2.4023mm 约束中间面 固定支撑
6 对称性分析
2.2759
7 理论结果
77.76Mpa
960.02Mpa 960.02 Mpa 162.74Mpa 82.521MPa
80.975Mpa 78.479Mpa
❖ 可以看出，4，5，6的结果较为接近真实解，也和 小组成员作的二维模型的结果较为接近，说明这几 种方案的简化模型与力学模型的建立较为接近实际 的情况，这与后续正确的进行分析计算提供了一定 的基础。但是理论解的数据均小于上述各个方案的 结果，分析原因：由于理论解按的是等截面梁来计 算，但本例中的钢板弹簧是变截面的，是三角形的，
3 分析过程
❖ 3.1.1模型的建立及网格划分：
网格划分
（1）采用四面体网格划分：（2）采用六面体网格划分：
汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试
２ 汽 车 复 合 材 料 板 弹 簧 有 限元 模 型 的 建 立
通常 ．复 合材料 板 弹簧 的横截 面可 采用恒 定 厚
度恒 定宽 度 、恒定厚 度 变宽度 及 变厚度 变宽度 ３种
形式 ｆ 为 了结构设 计 和生产 制造 的方便 ． 验汽 车 ３ ＿ 试
所用 复合 材料 板弹 簧采 用 的横 截 面为恒 定厚 度恒定
１ 前 言
目前 ， 全球 的能 源 紧 张 、 环境 污 染 等 问题 ， 迫使
人们 想 方 设法 来 实 现 车辆 的 轻 质化 以减 少油 耗 、 保 护 环境 钢板 弹 簧作 为汽 车 悬架 系 统 的 一部 分 ． 其 在 车体 自重 中所 占 比例 约 为 １１ ～ ／０１如 果使 用 ／５ １１ Ｉ． ｌ
试验 测试 结果 吻合 较好 ．该 复合材 料板 弹簧 的主 要
性能 指标 达到 了设 计要求
复合 材 料 ． 质 量 可减轻 ６ ％～ ０ ｒ 此 外 ， 合材 其 ０ ７ ％２ ］ 复
料 的模量 小 、 比重 轻 、 比强度 高 、 抗疲 劳性 能好 ， 可提 高 驾 驶 的舒 适 性 、 定性 及 耐 用 性 ｌ 美 国 于 １ ８ 稳 ３ Ｉ ９１ 年 利 用 缠 绕 技 术成 功 制 备 出 了 玻 纤 复 合 材 料 板 弹 簧 ： 国 Ｇ Ｎ公 司生产 的复 合材 料板 弹簧 也 已成功 英 Ｋ 实现 了产业 化 ； 、ｔ 法等 国也 都对 复 合 材 料板 弹 德 Ｅ、 簧开 展 了大量 的基 础性 研究 工作［ 目前 ． 国还没 ４ １ 我 有 关 于 汽 车复 合材 料 板 弹 簧产 业 化 的 相关 报 道 ． 关 于汽 车复 合材 料板 弹簧 的研究 还 处 于初步 的探 索 与