ADAMS板簧工具箱建模指导规范

ADAMS板簧工具箱建模指导规范
目录
0前言 (1)
1板簧工具箱介绍 (1)
1.1LEAFTOOL概述 (1)
1.2LEAFTOOL模拟原理及参数 (1)
1.3LEAFTOOL载入设置 (4)
2初始几何轮廓建模 (5)
2.1初始几何轮廓OG PROFILE (5)
2.2使用OGPROFILEGENERATOR (5)
3创建板簧结构 (7)
4创建和修改连接件 (9)
4.1创建连接件 (9)
4.2修改连接件 (10)
5设定参数 (11)
6分析及校正板簧模型 (12)
6.1刚度分析设置 (13)
6.2结果曲线绘制 (14)
6.3校正板簧刚度 (15)
7模型预加载 (16)
8模型总成装配 (17)
0前言
本操作手册讲述了采用ADAMS板簧工具箱LeafTool工具进行板簧系统模型搭建的详细过程，包含板簧几何建模、板簧连接、刚度校正和板簧总成装配等。

本操作手册建立的板簧模型可广泛应用于板簧悬架系统性能分析、整车操稳性能分析、整车平顺性能分析中的板簧模板中。

1板簧工具箱介绍
1.1LeafTool概述
使用Adams/Car进行整车的操稳、平顺和疲劳分析时，板簧子系统的搭建即是一个难点，也是一个重点，建模的精度直接决定了整车分析数据的准确性。

利用Adams 自带的LeafTool板簧专业工具箱进行板簧系统模型的搭建，可极大的提高板簧建模效率和准确性。

图1-1是根据LeafTool板簧工具箱约定的规则，创建的前端为固定吊耳（EYE），后端为压缩状态的活动吊耳(SHACKLE)的板簧模型。

一些主要的定义如下：
1)坐标系原点位于主片簧的上表面中心；
2)FORE：相对于整车坐标系X轴正方向；
3)AFT：相对于整车坐标系X轴负方向；
4)单位：长度mm；力N；角度degree。

注意：在Adams/Car中“AFT”代表车辆的前端方向。

图1-1板簧模型
1.2LeafTool模拟原理及参数
LeafTool中用离散的梁单元进行模拟:将钢板弹簧的各片分成若干段,各段之间用无质量的梁连接起来。

对于钢板弹簧之间及钢板弹簧与弹簧夹之间的接触用ADAMS 中提供的接触力来定义。

板簧参数主要包括板簧的几何参数、离散的梁单元、衬垫和
弹簧夹。

1）板簧的几何参数；
板簧工具箱支持dat（*.dat）和lef（*.lef）文件保存格式。

其中dat（*.dat）为旧版本的文件格式，建议使用lef（*.lef）格式的文件，lef（*.lef）格式文件由OG Profile Generator生成。

lef（*.lef）文件为tiem orbit格式，文件中包含每片板簧的厚度，包括前部分和后半部分。

a.板簧基本尺寸（宽度、厚度等）；
b.Eye：卷耳类型（berlin，up，down，见图1-2示），卷耳半径。

图1-2主簧卷耳类型
2)板簧中离散梁单元；
LeafTool中用离散的梁单元进行模拟:将钢板弹簧的各片分成若干段,各段之间用无质量的柔性梁连接，如图1-3示。

图1-3板簧梁单元示意图
a.梁单元的特性(I xx、I yy、I zz和A)由指定的片簧宽度和厚度自动计算得到；
b.梁单元的间距L，由用户界面输入得到；
c.用户可以通过参数定义对话框修改材料特性；
当仿真分析的刚度曲线与实际试验提供的刚度参数不一致时，需要对板簧模型进行调校，打开参数对话框，对beam梁单元的弹性模量、剪切模量、结构阻尼等参数进行修改，表1-1是梁单元参数的默认值。

d.柔性梁原理；
柔性梁是一个无质量的相同截面的柔性连接，按照Timoshenko（铁木辛柯梁理论）来传递两个标记点之间力和力矩，如图1-4、图1-5示，详细计算见表1-2。

图1-4无质量梁单元图1-5无质量梁力和力矩表达式
表1-1梁单元默认参数
表1-2无质量梁力和力矩详细表达式
F x=K11*(x-L)T x=K44*a
F y=K22*y+K26*c T y=K53*z+K55*b
F z=K33*z+K35*b T z=K62*y+K66*c
其中：
K11=E*A/L P y=12*E*I zz*ASY/(G*A*L2)
K22=12*E*I zz/[L3*(1+P y)]P z=12*E*I yy*ASZ/(G*A*L2)
K26=K62=-6*E*I zz/[L2*(1+P y)]E：Young’s modulus
K33=12*E*I yy/[L3*(1+P z)]G：Share modulus
K35=K53=6*E*I yy/[L2*(1+P z)]A：Area of the beam cross section
K44=G*I xx/L L：Length of the beam
K55=(4+P z)*E*I yy/[L*(1+P z)]ASY：Y Share Area ratio
K66=(4+P y)*E*I zz/[L*(1+P y)]ASZ：Z Share Area ratio
3)Pad衬垫（簧片之间接触力）；
板簧各片之间的接触用Adams/View中的接触力来定义,见图1-6示，通过用户图形界面来为前半段和后半段板簧之间加入接触力以及衬垫高度和摩擦力。

4)Clip弹簧夹；
弹簧夹主要作用：
名称数值
Young’s modulus(弹性模量E) 2.0E+5(N/mm2)
Share modulus(剪切模量G)7.7E+5(N/mm2)
Structural damping(结构阻尼) 1.0E-2
Y share area ratio(Y向剪切变形系数) 1.0
Z share area ratio(Z向剪切变形系数) 1.0
a.当钢板弹簧反向变形（反跳）时，是各片不致互相分开，以免主片单独承载；
b.防止各片横向错动。

用户可以为主片簧和其他板簧之间定义Clip弹簧夹，采用固定副将弹簧夹固定到底部的板簧上。

板簧之间创建接触力，主片簧和弹簧夹之间创建接触力，见图1-7示。

图1-6簧片间接触力图1-7弹簧夹与片间接触力
1.3LeafTool载入设置
启动Adams/View或Adams/Car（在欢迎对话框中选择Template Builder）；
单击菜单Tools,选择Plugin Manager。

关于Plugin Manager的帮助，在对话框中按下F1键；
从插件列表中找到Leafspring Toolkit，然后单选或全选如下命令；
1)Load—在当前界面加载Leafspring工具箱；
2)Load at startup—在启动Adams/Car或Adams/View时在界面中自动加载Leafspring工具箱；
3)单击OK。

Adams/Car载入Leafspring工具箱，在Adams/Car界面上多出一个新的LeafTool 菜单。

2初始几何轮廓建模
2.1初始几何轮廓OG profile
LeafTool中的初始几何OG profile允许用户直接从平展的板簧几何形状来定义板簧的初始几何轮廓，平展的板簧几何形状定义如图2-1所示。

图2-1Flat Leaf平展板簧
图2-2弧高和卷耳类型
1）B是指板簧安装夹持的有效长度（可设置为零），如图2-1示；
2）初始几何轮廓通过弧高（Camber Height）来描述，如图2-2示；
a.主簧弧高是指平行于夹紧平面（U型螺栓平面）内，吊耳中心到主簧上表面最低处的距离；
b.副簧弧高是指平行于夹紧平面（U型螺栓平面）内，板簧端部到主簧上表面最低处的距离；具体计算过程见10.1所述。

3）只有第一片簧（主簧）的两端有卷耳，板簧是等厚的。

副簧可以是不等厚的，最后一片簧厚度可以是线性逐渐变薄的；
4）OG Profile Generator根据输入的参数，如图2-3示。

先将为每片板簧生成一组平展的梁单元，然后在弧高的测量点位置加上驱动，运行准静态分析后，平展的板簧可以变形为想要的弧高状态（前段和后段）。

变形后板簧上表面内侧形状保存为初始几何轮廓。

2.2使用OGProfileGenerator
LeafTool工具箱通过OGProfileGenerator工具进行初始几何轮廓建立，图2-3及表
2-1介绍了OGProfileGenerator对话框各个参数含义。

图2-3OG Profile Generator对话框
表2-1OG Profile Generator对话框详解
名称参数详解
Output OG File Name输入文件名；
Number of Leafs模型中板簧的片数；
Clamp Length板簧安装夹持的有效长度或固定不动的长度，可设置为零；
Eye Type主簧卷耳的类型，包括三种类型：[none,berlin,up,down]；见图2-4。

Eye Radius卷耳的半径；
Tapering Auxiliary Leaf副簧厚度是否逐渐变薄，选yes或no；
AFT Tip如果选择副簧厚度逐渐变薄，需要定义副簧前端部位置的板厚；Base Center副簧安装夹持中心位置的板厚；
Fore Tip副簧后端部位置的板厚；
Beam Element Length在板簧展开状态下的梁单元长度；
Delta X in the File初始几何轮廓输出文件中，X向间距列表；
Insert row after在规格表中插入一行；
Remove row在规格表中删除一行；
Load spec按文件的指定参数定义，作用在原始几何轮廓的负载
Save spec将作用于原始几何轮廓的负载，保存为文件；
Aft Camber前半部分板簧的弧高；
Aft Length前半部分板簧的展开长度；
Fore Length后半部分板簧的展开长度；
Fore Camber后半部分板簧的弧高；
Thickness板簧的厚度。

①等厚度板簧的厚度；②如果是渐变厚度副簧，厚度
将会线性逐渐变薄，梁单元的参数将基于变细的厚度进行调整。

3创建板簧结构
板簧结构的建立通过Create Leafspring工具建立，Create Leafspring对话框见图3-1，其中各参数含义见表3-1。

图3-1Create Leafspring对话框
表3-1Create Leafspring对话框详解
名称内容注释
Model Name输入新建板簧模型名称；
File Prefix板簧几何轮廓数据文件名；
Select Directory点击该按钮可以选择文件存放位置，仅在勾选
“file prefix”后才生效；
File Name(.lef)选中输入文件（.lef）；
#of leaf板簧模型中板簧的片数；
Leaf width*1包含每片板簧宽度的实数数组；
#of aft-half parts*1前半部分每片板簧离散成构件数量的整数数组；
Leaf inactive length*1每片板簧安装长度的实数数组；
Leaf offset*1每片板簧最高点之间距离的实数数组；
#of fore-half parts*1后半部分每片板簧离散成构件数量的整数数组；
Eye aft flag前卷耳类型的图标；
Eye aft diameter前卷耳的内径；
Eye fore flag后吊耳类型的图标；
Eye fore diameter后吊耳的内径；
#of Interleaf forces和上一片相邻板簧之间内摩擦力的数量；Pad height of aft tip*2板簧前端部和上一片板簧前端部衬垫高度；Pad height（not include tip）*2板簧后端部和上一片板簧后端部衬垫高度；Friction Flag摩擦力标识显示或关闭；
Friction Coefficient和上一片相邻板簧之间摩擦系数；
Aft Clip On,Fore Clip On选择是否加弹簧夹；
#of clip弹簧夹数量；
Fasten between1st leaf&和主片簧夹紧的板簧数量；
Clip offset from center[mm]弹簧夹距上表面中心位置的距离；
Clip clearance at the top[mm]弹簧夹和主片簧上表面之间间隙；Friction Flag摩擦力图标显示或关闭；
Friction Coefficient弹簧夹和主片簧之间摩擦系数。

4创建和修改连接件
板簧吊耳的长度按实际尺寸给定；板簧与车架的前、后连接位置（x,y,z）需重新修改确定；选取板簧与车架的连接方式是铰接还是衬套连接；桥的安装座一般按默认即可。

4.1创建连接件
连接件的创建见图4-1，对话框中各个参数含义见表4-1示。

图4-1Attachment Create对话框
表4-1Attachment Create对话框详解
名称内容注释
Leafspring Model Name现有钢板弹簧悬架模型名称；
Shackle AFT or FORE flag定义吊耳是布置在前段还是后段；
Shackle UP or DOWN flag吊耳处于压缩（上）或拉伸状态（下）；
Shackle Length吊耳长度；
Axle Seat Flag板簧处于正吊或反吊状态，见图4-3；
Axle Seat Height车桥安装高度；
Axle Radius车桥半径；
Attachment flag板簧、吊耳和车架（地面）之间连接方式；
joint板簧、吊耳和车架之间是通过铰接副连接；
bushing板簧、吊耳和车架之间是通过线性的橡胶衬套连接；
roller_plate_test为roller plate试验研究定义的一系列运动副。

4.2修改连接件
修改连接件对话框见图4-2，其中各参数含义见表4-2。

图4-2Attachment Modify对话框
表4-2Attachment Modify对话框详解
名称内容注释
Leaf to Frame Point板簧卷耳和车架连接位置的修改（x,y,z的坐标值）；
Shackle to Frame Point板簧吊耳和车架连接位置的修改（x,y,z的坐标值）；
Load获取当前模型的值；
Reset设成初始模型状态。

注意：这里不能对“shackle AFT or FORE flag”选项进行修改。

图4-3Axle Seat Flag示意图
5设定参数
修改摩擦系数、梁的属性和衬套刚度对话框见图5-1，各参数含义见表5-1。

图5-1Specify Parameters对话框
表5-1Specify Parameters对话框详解
名称内容注释
Leafspring Model Name已有的板簧模型；
Modify Friction板簧之间摩擦力、弹簧夹和主簧间摩擦力；
设置板簧之间摩擦力是否作用，修改摩擦系数；
设置弹簧夹和主簧间摩擦力是否作用，修改摩擦系数；
动滑移速度是指最大摩擦系数时的速度，摩擦力根据STEP5函数确定；
Friction force=STEP5(slip_vel,-trans_vel,-1,trans_vel,1)*Friction coefficient；
Modify Beam Material Properties梁单元材料特性E、G、结构阻尼和Y、Z向剪切变形系数修改；Modify Bushing Parameters衬套刚度和阻尼参数修改。

6分析及校正板簧模型
对建好的板簧模型，运行一个准静态分析，检查和研究板簧悬架特性参数。

创建板簧模型时会自动添加一个GFORCE到车桥上，如图6-1示。

在提交分析之前，用户还可以指定载荷特性，如：摩擦力、外部载荷、预载荷和力矩等。

图6-1分析添加GFORCE
施加载荷按6-1公式定义：
Function preload+extra load∗STEP time，0，0，1，1（6-1）创建板簧模型时，会自动添加三个Requests输出请求，具体见表6-1。

表6-1Requests输出请求
名称中文注释
leafspring_request
板簧输出定义
Axle_Center_Vertical_Deflection车桥上Z方向的位移变化
Vertical_Load作用在车桥Z方向的载荷
Axle_Center_Location_X车桥中心X方向的位置
Axle_Center_Location_Z车桥中心Z方向的位置
axle_center_location
车桥中心位置
Location_X车桥中心X轴向的位置
Location_Y车桥中心Y轴向的位置
Location_Z车桥中心Z轴向的位置
Twist A x车桥中心绕X轴旋转
Windup A y车桥中心绕Y轴旋转
Twist A z车桥中心绕Z轴旋转
applied_force
(GFORCE)
作用的力和力矩
Windup F x X轴分力
Lateral F y:Y轴分力
Vertical F z Z轴分力
Twist T x:X轴分力矩
Windup T y Y轴分力矩
Twist T z Z轴分力矩
6.1刚度分析设置
模型建好后，必须对板簧刚度进行分析验证，一般需验证板簧在整车坐标系下的Z向刚度值，对板簧模型施加Fz载荷见图6-2，各参数含义见表6-2。

图6-2刚度分析设置对话框
表6-2刚度分析设置对话框详解
名称内容注释
Leafspring Model Name现有板簧模型；
Analysis Name如勾选save analysis按钮，此字符串可用；
Steps准静态分析的步数；
Attachment Flag定义板簧、吊耳和车架（地面）之间是如何连接；
Applied Load Paramters GFORCE输入作用力的值，进行下列设置；
Vertical作用力Fz；
Lateral作用力Fy；
Windup作用力F x和力矩Ty；
Twist力矩Tx和Tz；
Simulation Settings求解器的设置。

6.2结果曲线绘制
选择start plotting window进入结果绘制后处理界面，单击LeafTool菜单，弹出图6-3对话框，对话框参数含义见表6-3。

图6-3绘图输出设置对话框
表6-3绘图输出设置对话框详解
名称内容注释
Analysis Name板簧悬架仿真分析名称；
View Layout视图模式；
View_1x1每页绘制一个曲线；
View_2x2每页绘制四个曲线；
Curve Selection选择需要绘制的曲线，已经定制了四种曲线；
Curve Attributes曲线属性修改，如果legend中没有写入文字的话，
那么legend默认这只成分析的名称；
Clear Plot删除已绘制的曲线。

6.3校正板簧刚度
如果板簧刚度与图纸给定的不一致，需按图纸给定的板簧刚度对模型里的参数进行调整，直至板簧刚度与图纸给定的一致。

具体修改参数见图5-1。

7模型预加载
以上所创建的是没有加载荷的自由状态板簧，然而实际的板簧在车辆上是处于设计载荷下的装配状态，根据SpecifyPreload Mehtod里的3种加载方式：Vertical Load、Axle Center Location或AxleCenterHeight方式，给先前的模型加预载荷创建一个新的板簧模型，见图7-1，具体参数含义见表7-1。

图7-1模型预加载对话框
表7-1模型预加载对话框详解
名称内容注释
Leafspring Model Name未加预载荷的板簧模型名称；
New Model Name创建的加预载荷板簧模型名称；
Attachment Flag定义板簧、吊耳和车架（地面）之间的相互连接方式；
Vertical Load加垂直载荷的值；
Axle Center Location定义车桥中心位移的位置(x,y,z)；
Axle Center Height车桥到主片簧上表面高度方向距离。

8模型总成装配
左右板簧需要装配在一起来使用，采用图8-1所示板簧装配对话框进行左右板簧的装配，各参数含义见表8-1所示。

图8-1板簧装配体创建对话框
表8-1板簧装配体创建对话框详解
名称内容注释
Assembled Model要生成的板簧装配体名称；
Left Model用于装到车辆左侧的一个现有板簧模型；
Right Model用于装到车辆右侧的一个现有板簧模型；
Anchor Option固定方式；
Axle根据车桥中心和安装高度来定位板簧位置；
Frame根据板簧到车架安装点和吊耳到车架的安装点来定位板簧位置；
Mirror to Left Flag左、右板簧对称；
Create Axle装配体中添加车桥选项；
Axle Seat Flag定义板簧是正吊或反吊；
Axle Seat Height定义车桥安装高度；
Axle Radius定义车桥半径。