三轮汽车钢板弹簧的建模及仿真

三轮汽车钢板弹簧的建模及仿真
地址：山东省五莲县长青路23号五征集团三轮研究所（：262300）
三轮汽车钢板弹簧的建模及仿真
张先航、王水焕、李建峰、丁友鹏、王善波
（山东五征集团，262300）
摘要
在整车仿真分析中，钢板弹簧模型的建立一直是个难点，关于三轮汽车的整车仿真来说更是如此。

为了建立比较精确的钢板弹簧模型，本文依照三轮汽车钢板弹簧的结构及受载特点, 以多柔体系统动力学理论为基础, 利用UG、Hyperworks与Adams建立了钢板弹簧的多柔体模型, 并对其特性进行了仿真研究，然后将仿真结果与试验结果进行对比，验证了模型的正确性。

关键词：三轮汽车，钢板弹簧，UG，Hyperworks，ADAMS
1 概述
三轮汽车分为带传动与轴传动两类，由于轴传动三轮汽车的钢板弹簧与汽车的一致，同时关于汽车钢板弹簧的多刚体、多柔体建模在一些文献中多有论述，因此本文不再赘述。

本文只对带传动三轮汽车的钢板弹簧进行分析，后文提及的三轮汽车专指带传动三轮汽车。

三轮汽车后悬架大都采纳纵置对称多片钢板弹簧式后悬架，它通过转套与车架相连，因此三轮汽车钢板弹簧不传递纵向力，不能起到导向作用，它只起到缓冲与减振的作用。

在整车仿真分析中，钢板弹簧模型的建立一直是个难点，在一些精度要求不高的分析中，多用三连杆机构进行模拟，但由于其精度不是太高，同时对具有副簧的钢板弹簧专门难模拟，因此为了提高三轮汽车的整车仿真精度，本文尝试采纳UG、Hyperworks与Adams 结合，建立多片钢板弹簧的柔体模型，在Adams中进行仿真，并将结果与测试结果相对比，验证模型的正确性。

2 建模
2.1 在UG中建立钢板弹簧的三维模型
为了得到精确的结果，本文利用专业的三维CAD软件UG NX4.0建立了某钢板弹簧的三维模型，建模过程从略。

建立后的钢板弹簧三维模型如图1 所示：
图1 钢板弹簧三维模型图
2.2 将三维模型导入到Hypermesh
在UG中，将该钢板弹簧三维模型导出为Parasolid（*.x_t）格式,在Hypermesh中,利用接口程序将该钢板弹簧模型导入到Hypermesh中,导入后的模型如图2 所示:
图2 钢板弹簧在Hypermesh中的模型
2.3 在Hypermesh中建立钢板弹簧的有限元模型
Hypermesh是一个高性能的有限元前、后处理器，让用户在交互及可视化的环境下验证各种设计条件，同时能够方便的划分出高质量的网格。

为了提高运算精度，本文对该钢板弹簧的每一片单独划分网格，片与片之间用CGAPG 间隙单元进行连接，来模拟弹簧片间的接触。

由于板簧中间具有圆孔，同时不能忽略，假如直截了当用volume命令生成三维网格，网格质量不是太好，降低了运算精度。

因此本文先生成二维网格，然后通过drag命令生成三维网格。

2.3.1 建立二维网格
对该钢板弹簧的其中一片弹簧建立二维网格，创建的网格如图3 所示：
图3 创建的二维网格
2.3.2 建立三维网格
由建立得二维网格通过drag命令创建三维网格，生成的三维网格如图4所示：
图4 创建的三维网格
2.3.3 建立钢板弹簧的三维网格
重复以上步骤，建立其它弹簧片的三维网格，完成后的三维网格如图5所示：
图5 钢板弹簧三维网格
2.3.4 建立接触单元
本文利用CGAPG单元来模拟板簧片间的接触关系，用rigids单元模拟中心固定螺栓。

具体步骤如下：
1.点击Collectors，创建pgap道具，点击create/edit，并按照图6进行设置:
图6 pgap道具参数设置
2. 在片间建立CGAPG 单元，并将各弹簧片的中心用RBE2单元连接。

完成后的钢板弹簧模型如图7所示：
图7 钢板弹簧接触模型
2.3.5 建立约束
1. 创建load collectors，此load collector为约束，在创建约束的时候使用no card；
2. 创建另一个load collectors，此load collector定义模态，card=cmsmeth，然后点击create/edit，并按照图8进行编辑：
图8 模态参数设置
3. Analysis→constraint，选择最下方板簧片的中心点，6个自由度全选，创建约束。

2.4 利用OptiStruct 求解钢板弹簧模态
作为世界 CAE 工业流行的大型通用结构有限元分析软件，OptiStruct 是一个快速、精确和稳健的有限元求解器，支持多种线性及非线性分析。

通过无缝集成在 HyperWorks 软件中，OptiStruct 为工程师提供了梦寐以求的灵活、快速和先进的功能，这些功能包括线
性静态分析、特点值求解、屈曲，频率响应分析和瞬态响应分析以及运动学，动力学，静力学，准静力学和线性化分析等。

OptiStruct尽管不是专业的解决非线性问题的求解器，但能够满足一样的非线性问题的运算要求。

因此本文利用OptiStruct进行求解。

2.4.1 建立载荷步
Preferences→Previous（OptiStruct），进入OptiStruct环境。

analysis→subcase，按照图9进行设置，CMSMETH选择前面创建的模态收集器：
图9 设置载荷步
2.4.2 运算钢板弹簧模态
analysis→OptiStruct，选择analysis，点击OptiStruct，运算完成后，点击Hyperview，该板簧的一阶模态如图10所示：
图10 钢板弹簧的一阶模态
2.5 文件转换
MotionView是Hyperworks系列产品中的一种，MotionView前处理提供一个有效率的中性多体动力学语言分析功能，能够输出给ADAMS使用。

此处需要利用MotionView程序，将OptiStruct生成的含有柔性体的H3D文件转化为ADAMS使用的MNF文件。

打开MotionView，在FlexTools菜单中选择Flex Prep命令，选择上文生成的H3D文件，转换为所需要的MNF文件。

2.6 在ADAMS中建立钢板弹簧柔性体模型
2.6.1 导入MNF文件
在ADAMS/View环境中，Build→Flexible Bodies→Adams/Flex，在打开的对话框中，
选择上文建立的MNF文件，在ADAMS/View中生产的钢板弹簧柔性体模型如图11所示：
图11 钢板弹簧在ADAMS中的柔性体模型
2.6.2 建立车架的多体模型
为了达到仿确实目的，需要按照该钢板弹簧在三轮汽车中的实际安装方式，建立其它零部件的多体模型。

为了运算方便，本文仅建立了与钢板弹簧相关的车架局部模型。

建立并导入ADAMS后的模型如图12所示：
图12 导入车架后的多体模型
建立约束副，完成后的钢板弹簧柔性体模型如图13所示：
图13 钢板弹簧柔性体模型
3 仿真分析
3.1 添加运动约束
为了更好的模拟钢板弹簧的受力过程，在移动副上施加移动铰，并将参数修改为50*time。

3.2 建立测量
建立测量Y方向的位移，名称为MARKER_4_disp；建立测量Y方向的力，名称为MARKER_4_force；
3.3 运行仿真
将时刻设置为2，steps设置为100，运行仿真，图14为钢板弹簧变形情形：
图14 板簧变形情形
3.4 观看钢板弹簧载荷与位移曲线
以MARKER_4_disp为横坐标，以MARKER_4_force为纵坐标，建立如图15所示的载荷与位移曲线；由图能够看出两段曲线的斜率分别是174与643，也确实是说该钢板弹簧的主簧刚度为174N/mm与复合刚度为643N/mm。

图25 载荷与位移曲线
4 验证模型
为了验证仿真结果, 进行了台架试验。

将该钢板弹簧固定在压力机上，进行测量，测量结果见表1。

负载N 静载变形mm 刚度N/mm 备注
5000 29±1 172.4 主簧刚度
30000 48±1 625 复合刚度
从上表能够看出仿真结果与测量结果误差小于3%，因此仿真结果真实可信，也确实是说上述方法建立的钢板弹簧的模型是正确的。

5 结语
依照载荷与位移曲线，ADAMS能够运算出钢板弹簧的变形量及相应的载荷大小,通过仿真结果, 能比较清晰的了解钢板弹簧的特性情形。

如此在样品试制出来往常,就可较准确地模拟出钢板弹簧特性的台架试验, 在设计时期就可推测其力学性能, 方便进行设计修改。

该模型的成功建立也为以后的三轮汽车整车仿真制造了条件。

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