弹簧开发中CAD_CAE的应用

CAD／CAM／CAE在模具设计中的应用技术系统信息化的核心内容是模具CAD/CAE/CAM技术的应用，实现模具设计制造过程的信息化或数字化。

在过去很长一段时间内，大多数的CAD/CAM系统都是面向机械行业的通用型系统。

对于模具企业而言，这些系统的专业性不够强，设计制造的效率还不够高。

针对模具行业的这一需求，国际软件厂商纷纷针对各类模具的特点，推出了功能完善、操作方便的专用CAD/CAM 系统。

如德国Siemens公司的UG（NX）、法国达索公司的CATIA、美国PTC公司的Pro/E、法国Missler公司的TopSolid、以色列Cimatron公司的CimatronE，日本UNISYS公司的CADCEUS等常用三维设计软件，都有对应的冲压模和注塑模专用设计系统。

这些系统在国外模具企业获得广泛应用，在我国也占有一定的市场。

近年来，面对模具行业对CAD/CAM技术的强劲需求，国内不少研究单位和公司针对国内企业的特点，开发了面向模具企业的CAD/CAM集成系统，达到了较高的实用水平。

参与这方面的研发和应用技术推广的主要单位有华中科技大学模具技术国家重点实验室、上海交通大学国家模具CAD工程研究中心、浙江大学旭日科技开发公司、北航海尔软件有限公司、北京艾克斯特科技有限公司、山大华天软件有限公司等。

其中华中科技大学模具技术国家重点实验室基于UG（NX）研发的覆盖件CAD系统、注塑模CAD系统和多工位级进模CAD 系统，已在东风汽车、北京比亚迪、青岛海信、广东科龙、深圳康佳、深圳群达行、深圳麦斯优联（斯洛模具）等许多公司应用，取得了良好的效益，具备一定的行业影响力。

成型过程数字模拟CAE技术的出现，为成型工艺决策提供了有力的技术支持。

在模具设计过程中加强前期的分析仿真，将会提高成形工艺和模具结构设计的水平，减少试模的工作量，降低模具制造成本，缩短模具新产品的设计制造周期。

目前在国内模具行业应用较多的世界著名CAE软件有MOLDFLOW、DYNAFORM、PAM-STAMP、AUTOFORM、ANSYS和DEFORM等。

计算机辅助设计／辅助制造（CAD/CAM）技术发展至今已较完善。

实践表明它可以很好地解决各种复杂形状模具的造型及数控（NC）加工编程问题。

获得良好的精度及尺寸协调性，显著缩短产品设计生产周期，在复杂型面模具的设计及数控加工中得到广泛应用。

CAD/CAM技术在模具加工领域的主要应用有以下几个方面。

1 CAD过程（1）直接通过CAD/CAM进行图形设计随着技术的发展，CAD/CAM技术在模具的生产中，将普遍采用经过市场调查及其周密的研究，进行生产决策，下达生产计划及实施措施，紧接着模具开发设计者使用模CAD工作站，完成模具设计中的造型、计算、分析以及绘制工程图，而且可在设计阶段对产品性能进行评价，可使设计者从繁重的绘图中解放出来，能有更多的时间作创造性的工作。

（2）利用现有客户提供的CAD数据模型，转换成所需图形模具企业有的客户提供绘制好的图形。

客户方和模具企业制造方若使用不同的软件，就会出现图纸数据交流的困难。

这需要解决数据接口问题。

因为大多数CAD程序有其各自不同的数据库形式而不能和其它程序共用几何数据。

因此客户方的CAD的几何体必须翻译成模具企业制造方的接受程序能读取的东西。

通常的办法是使用通用几何体转换标准如“IGES”或“STEP”，以及一些专用的转化器进行数据转换。

2 CAE过程模具CAE技术已较广泛的应用在注塑模、压铸模、锻模、挤压模、冲压模等模具的优化设计中，并在实际中指导生产。

注塑模CAE主要包括模具结构分析、运动分析、装配及干涉检查、成型过程分析等。

压铸模CAE目前主要以压铸件充型的流场数值模拟、压铸模件的温度场模拟、压铸模件的应力场数值模拟为主。

挤压模CAE主要对生产过程中模具的变形过程、应力场和温度场分布及变化、摩擦、润滑等问题进行分析和实验，实现模具的优化设计。

以注射成型为例。

其充模流动过程是一个相当复杂的物理过程，高温塑料熔体在压力的驱动下通过流道、浇口向型腔内充填，将型腔内的气体排出，这需要确定排气的位置；多股流料在某处汇合会形成熔接痕，这需要确定熔接痕的位置；这些以前需要经过多次试模之后才能够得到圆满解决，既浪费了资源又延长了模具生产周期。

参数化绘制弹簧的新工具CAD软件
我们的生活中弹簧是无处不在的，在机械中更是必不可少的部分，那么如何绘制复杂多样的弹簧也就成了设计师们关注的问题。

我们知道弹簧的绘制既可以用专业的三维软件绘制例如pro/e ug,但也可以使用二维的cad来绘制,但大家在使用普通cad绘制弹簧时都可以发现，这个过程并不简单，它需要设计师丰富熟练细致的技能做准备。

普通cad绘制弹簧主要有以下几个步骤：
1、将视图切换到东南轴测图应为对于三维弹簧的建立，我们切换视图才能方便我们绘制和查看。

2、使用cad的三维建模功能cad软件自带的三维建模功能也能够绘制一部分三维实体，例如我现在选择圆环体，根据软件提示，我们输入圆环体的内外直径即可绘制出来，如图一。

图一
3、对圆环进行旋转和其它操作当我们绘制了圆环后，设置好用户坐标系，并完成旋转等其它操作。

通过以上操作，大家会想下有没有更简单的绘制方法呢，现在给大家介绍一下浩辰机械中的机械设计功能。

浩辰机械对弹簧的绘制步骤如下：
1、选择弹簧设计的样式软件提供三大类用途的弹簧，我们只要选择自己需要的那个就可以了，如图二所示。

图二
2、选择弹簧的参数确定型号在生成的对话框中我们选择弹簧合理的数据用于确定弹簧的型号，在确定弹簧圈数后，就可以进入下一步操作了，如图三所示。

图三
3、选择弹簧的工作属性在对话框中我们可以确定弹簧的长度、高度和类型这样选择后，就可将弹簧绘制出来了，如图四所示。

图四
总之，浩辰机械能在二维中以更简单的参数化形式绘制出来，而且浩辰机械还提供了多种标准件的绘制功能，所以也欢迎大家试用！。

弹簧垫片的cad图纸参数以及对应的solidwork建模过程《弹簧垫片CAD图纸参数及实现SolidWorks建模》——掌握设计及建模秘诀弹簧垫片是一种常见但却非常重要的结构件，它是用来用来平衡组件和支撑组件，承受压力，同时也有消音效果。

因此，对于弹簧垫片而言，CAD图纸参数和 Solidworks 建模是非常重要的。

以下是弹簧垫片 CAD 图纸参数和 Solidworks 建模过程：一、CAD 图纸参数：1. 直径：弹簧垫片的直径要求具有精确的规则性和精度，通常由一到几百毫米不等，必须适应设计结构的性能要求。

2. 厚度：弹簧垫片的厚度一般在 0.1mm-2mm 之间，根据弹簧垫片的加工工艺和结构性能来确定。

3. 合金材质：常见的弹簧垫片材质包括碳钢、不锈钢、高强度铝合金、铁合金等，根据不同的生产工艺和加工环境来挑选适合的材质。

4. 表面处理：弹簧垫片的表面处理有涂层、抛光、电镀等，根据使用环境和客户需求。

二、Solidwdorks 建模：1. 首先，在Solidworks 中新建一个 part 文件，大小及坐标系等等都按照设计要求设定，然后在根据参数绘制出弹簧垫片的工程元件。

2. 然后使用外加特征进行建模，根据实际型腔和螺纹进行建模，同时考虑加工公差，确保容器大小和型腔型腔设置正确。

3. 切削量窗口中设置弹簧垫片的切削量，如切削厚度、切削宽度，然后在实际工艺条件下确定切削压力及刀片力度，保证弹簧垫片的建模准确性。

4. 最后，调试全部工程参数，检查图纸是否正确，完成弹簧垫片的建模过程。

总之，弹簧垫片 CAD 图纸参数和 Solidworks 建模过程非常重要，其中CAD 图纸参数包括直径、厚度、合金材质以及表面处理等，而Solidworks 建模中需要新建 part 并且设置参数，切削量窗口中设置切削量，最后检查图纸是否正确，完成建模。

CAD与CAE领域的相结合一、CAD与CAE的概念CAD（计算机辅助设计）是指利用计算机辅助手段进行产品、构造或工艺的设计。

CAE（计算机辅助工程）则是指利用计算机软件实现机械、热能、流体等物理学问题的仿真分析。

CAD与CAE虽然是两个独立的技术领域，但它们之间是有着密不可分的联系的。

二、CAD与CAE的联系CAD和CAE之间的联系主要表现在以下几个方面：1. CAD提供了CAE所需的数字化模型CAD技术可以将实体物体数字化，在计算机上生成三维模型。

而CAE技术则需要用到这些数字化模型进行仿真分析。

在产品设计阶段，通过CAD技术生成的数字化模型可以很方便地进行修改和优化，以便更好地满足实际需求。

而在传统的模型制作方式中，需要对实物进行多次制作和实验，这会造成时间和金钱上的浪费。

通过CAD技术，可以节省这样的开销，同时也可以使得产品开发周期变得更加短暂。

2. CAE为CAD提供了力学分析的支持在CAD设计完成后，我们需要对设计合理性进行力学分析。

这时候，CAE技术就可以派上用场。

CAE能够对数字化模型进行有限元分析和结构分析，从而揭示设计中存在的薄弱点和瓶颈。

这样一来，设计工程师可以通过缩减纠正步骤和改动策划，来优化产品设计。

3. CAE提供的环境可以更好地表现CAD的设计效果为了提高产品的质量，除了进行力学分析，我们还需要对产品的外观设计进行评价。

这时候，CAE也可以帮助我们将设计转换为更加真实的三维模型，并通过多方位分析来评价设计合理性。

另外，CAE还可以帮助设计师进行虚拟组装，从而实现产品的交互效果和工艺针对性的优化。

这些方面的改进也可以帮助产品设计变得更加合理。

三、CAD与CAE应用案例目前，CAD与CAE的应用不仅仅局限于单一领域，包括汽车、飞机、船舶、机器人、电子设备、家具、医疗器械等各领域都已经广泛地采用了CAD与CAE技术。

1. 汽车行业在汽车行业，CAD被广泛用于车身设计、内饰设计和轮廓造型等方面。

Journal of Mechanical Strength2023,45(4):845-849DOI :10.16579/j.issn.1001.9669.2023.04.012∗20211003收到初稿,20220228收到修改稿㊂ 十四五 国家重点研发计划(2022YFB2503505)资助㊂∗∗陈为欢,男,1983年生,福建泉州人,汉族,江铃汽车股份有限公司研发总院中级工程师,硕士,主要研究方向为车辆工程CAE 仿真分析及优化㊂汽车钢板弹簧CAE 仿真分析与台架试验对标研究∗CAE SIMULATION ANALYSIS AND RIG TEST VALIDATIONRESEARCH OF AUTOMOBILE LEAFSPRING陈为欢∗∗㊀熊㊀伟㊀辛建伟㊀葛文韬㊀余显忠㊀周贤苏(江铃汽车股份有限公司产品开发总院,南昌330200)CHEN WeiHuan ㊀XIONG Wei ㊀XIN JianWei ㊀GE WenTao ㊀Yu XianZhong ㊀ZHOU XianSu(Jiangling Motors Co.,Ltd.,Nanchang 330200,China )摘要㊀针对新设计汽车钢板弹簧,有物理试验和计算机辅助工程(Computer Aided Engneering,CAE)仿真两种手段来评估板簧的疲劳寿命,物理试验周期长㊁费用高,CAE 仿真周期短㊁费用低㊂目的是找出一种应用CAE 仿真分析手段来有效分析预测钢板弹簧疲劳寿命的方法,从而实现缩短板簧开发周期并降低开发成本;对钢板CAE 仿真和台架试验进行了刚度及强度的对标分析,找出了能够准确模拟刚度和强度的CAE 刚强度仿真方法;在确保CAE 仿真模型能准确分析板簧刚强度的基础上,通过实测板簧材料疲劳性能曲线,基于Miner 累积损伤理论,应用不同表面修正系数对钢板弹簧进行寿命分析,并和疲劳台架试验对标进行分析,找出了一种能够较为准确评估板簧寿命的CAE 疲劳仿真分析方法㊂最终形成了一套基于CAE 分析的较为可靠的钢板弹簧疲劳寿命预测方法,该方法有效性较好,对有效预测汽车钢板弹簧的疲劳寿命具有较高的工程价值㊂关键词㊀汽车㊀钢板弹簧㊀疲劳寿命㊀台架试验对标中图分类号㊀TH16Abstract ㊀There are two methods to verify the durability characteristics of a new designed leafspring,there are physical testwhich takes more time and cost and CAE simulation which is time-saving and cost-saving.Aiming at coming up an effective CAE simulation of the leafspring life,the CAE simulation for stiffness and strength with rig test is validated.Base on the validated CAE method,with material property from test,CAE fatigue simulation is conducted with different surface treatment factor and validated with rig test to find out the best parameter for good life correlation.Finally,an effective CAE life prediction of automotive leafspring is provided,and the solution can serve as a good reference for the industry.Key words㊀Automobile ;Leafspring ;Fatigue life ;Rig test validation Corresponding author :CHEN WeiHuan ,E-mail :b 30156@ The project supported by the 14th Five Year National Key R&D Plan(No.2022YFB2503505).Manuscript received 20211003,in revised form 20220228.0㊀引言㊀㊀钢板弹簧作为汽车悬架的关键零部件,是汽车尤其是商用车悬架主流的配置之一,连接车身(车架)及车桥,工况恶劣,其疲劳寿命对整车可靠性㊁安全性具有重要的影响㊂产品开发中,对于板簧疲劳寿命的评估方法主要分为两种㊂第一种方法是物理试验,物理试验分为台架试验和道路强化试验㊂物理验证的特点是试验周期长,试验代价昂贵,代价巨大[1-6]㊂第二种方法是计算机辅助工程(Computer Aided Engineering,CAE)虚拟仿真分析,该方法具有效率高㊁周期短㊁成本低等优点,但是板簧疲劳寿命的准确度评估受到板簧应力分析结果的精度㊁板簧样件表面热处理㊁喷丸等加工因素的影响巨大[7-8]㊂为了获得一种可以较为准确预测分析板簧寿命的方法,本文对板簧台架试验和CAE 仿真进行对标㊂找出可以精确模拟板簧应力响应的建模方法,以及可以较为准确评估板簧寿命的表面修正系数的参数设置方法,具体仿真及台架对标流程如图1所示㊂1㊀板簧刚强度分析与试验对标分析㊀㊀要对疲劳耐久寿命进行精确仿真分析,CAE 仿真模型需要能够对其载荷应力响应进行精确的表述,因此必须确保CAE 仿真模型能够准确地模拟板簧的刚㊀846㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀图1㊀CAE 仿真与台架试验对标流程Fig.1㊀Flow chart of CAE simulation and rig test validation度及强度㊂1.1㊀板簧CAE 仿真有限元建模及分析㊀㊀板簧受力后会产生大变形及接触状态的变化,CAE 仿真分析时涉及几何非线性和接触非线性,需要很高的建模质量来确保仿真分析的收敛性㊂将完成参数确认的自由夹紧状态的板簧CAD 模型导入有限元前处理软件Hypermesh,Hypermesh 软件切换到Abaqus 模块,然后对板簧几何模型网格建模㊂由于网格的密度和精度有密切关系,网格越密,精度越高,计算量更大㊂本文以3~5mm 的六面体网格进行建模;网格阶数和计算精度有密切关系,二阶单元精度高于一阶单元精度,但由于二阶六面体单元不利于板簧接触分析的收敛,本文采用一阶六面体实体单元进行网格建模,每一片板簧在厚度方向采用四层网格㊂由于实体单元最外表面包裹一层料厚0.001mm 的壳单元可以增加表面积分点的数量,从而可以提高仿真精度[9],本文针对一阶六面体单元和一阶六面单元及其最外表面的实体单元表面包裹一层薄壳单元两种建模方式进行CAE 应力及刚度分析,然后和试验进行对标验证㊂完成建模后的有限元模型如图2所示,定义板簧材料为51CrV4㊂然后对板簧各片之间建立面对面的接触对,模拟板簧实际工作过程中各片间可能发生的实际接触行为㊂图2㊀板簧有限元模型Fig.2㊀Leafspring FEM基于板簧台架试验规范对板簧前后卷耳进行边界处理,即释放板簧长度方向的平动自由度及绕卷耳轴线方向转动自由度,约束其他自由度;在板簧座(板簧和车桥连接处)施加板簧设计的极限位移㊂由于板簧是大变形接触分析,属于几何和接触非线性的,求解器求解参数设置时,打开几何非线性选项,然后提交Abaqus 求解器求解获得板簧在弯曲变形条件下的应力分布㊂1.2㊀板簧刚度及应力台架试验㊀㊀根据板簧在垂向受载下的应力分布趋势,对板簧进行应变花贴片㊂图3为第一片板簧(含卷耳的簧片)及第三片板簧应变花贴片的效果图㊂如图4所示,将贴完应变花的板簧装配到试验台上㊂其中,板簧前㊁后卷耳T y ㊁T z ㊁R x ㊁R z 方向自由度进行约束,T x 和R y 自由度释放,T x 方向为板簧的长度方向,R y 方向为板簧卷耳绕其轴线转动方向,在板簧座施加板簧的设计允许Z 向位移为213.5mm㊂图3㊀第1片及第3片簧应变花贴片Fig.3㊀Leaf 1and leaf 3straingauging图4㊀台架试验Fig.4㊀Rig test1.3㊀仿真及台架试验结果对标分析㊀㊀首先,对刚度进行对标分析,因两种建模仿真分析方法的差异在于表面一层极薄的壳单元,不会影响整体刚度,刚度对标不加区分哪种建模方法㊂如表1所示为CAE 仿真和台架试验刚度数值比较㊂由表1可知,板簧主簧刚度仿真和测试值的误差为3.3%,复合刚度分析的误差为5.0%,因此验证了板簧有限元建模及刚度分析具有较高的可靠度,为其他分析提供了科学基础㊂表1㊀板簧刚度仿真与测试值对比Tab.1㊀Simulation and test result of leafspring stiffness测试Test CAE 仿真CAE simulation误差Error /%主簧刚度Primary stiffness /(N /mm)9093 3.3复合刚度Combined stiffness /(N /mm)1401475.0图5所示为第1片板簧在两种CAE 建模方法下板簧应力沿弧长方向的分布曲线及台架实测的应力沿㊀第45卷第4期陈为欢等:汽车钢板弹簧CAE 仿真分析与台架试验对标研究847㊀㊀板簧弧长方向的分布曲线(板簧中心螺栓坐标为0),从曲线可以判断,基于一阶六面体网格加表面包壳的CAE 建模方法的分析结果和试验对标良好,而单纯一阶六面体单元的仿真结果和试验结果差异很大㊂表2所示第1片板簧为一阶六面体单元及表面包裹薄壳单元的仿真值和测试值的对比㊂由表2可知,仿真精度能达到90%㊂图6所示为第1片板簧CAE 仿真模型在台架试验各应变花测试点的应力分析结果㊂从第1片板簧的仿真与试验对标结果判断,网格尺寸3~5mm 的一阶六面体单元及其表面包裹一层薄壳单元的CAE 建模仿真分析方法可以具有非常好的仿真精度,其精度可以支持疲劳对标分析㊂图5㊀第1片簧应力分布曲线Fig.5㊀Curves of leaf 1stressdistribution图6㊀第1片板簧应力分布云图Fig.6㊀Stress nephogram of leaf 1表2㊀第1片簧测试应力和仿真应力对比Tab.2㊀Comparison of leaf 1test stress and simulation stress 应变花Strain gauge 坐标Coordinate /mm测试Test /MPa 仿真Simulation /MPa 误差Error /%应变花1Gauge 1-65113311230.9应变花2Gauge 2-130******** 2.6应变花3Gauge 3-23013281364-2.6应变花4Gauge 4-33012691305-2.8应变花5Gauge 5-43010651092-2.5应变花6Gauge 6-530822748.98.9应变花7Gauge 7-590425421.13.0图7所示为第3片板簧在两种CAE 建模方法下板簧应力沿弧长方向的分布曲线及台架实测的应力沿板簧弧长方向的分布曲线(板簧中心螺栓坐标为0)㊂从曲线可以判断,基于一阶六面体网格及其外表面包壳的CAE 建模方法的分析结果和试验对标良好,而单纯一阶六面体单元的仿真结果和试验结果差异巨大㊂表3所示为第3片板簧一阶六面体单元及表面包裹薄壳单元的仿真值和测试值的对比㊂由表3可知,仿真精度能达到90%㊂图8所示为第3片板簧CAE 仿真模型在台架试验各应变花测试点的应力分析结果㊂从第3片板簧的仿真与试验对标结果判断,网格尺寸3~5mm 的一阶六面体单元及其外表面包裹一层薄壳单元的CAE 建模仿真分析方法具有非常好的仿真精度,其精度可以支持疲劳对标分析㊂图7㊀第3片簧应力分布曲线Fig.7㊀Curves of leaf 3stress distribution 表3㊀第3片簧测试应力和仿真应力对比Tab.3㊀Comparison of leaf 3test stress and simulation stress应变花Strain gauge 坐标Coordinate /mm测试Test /MPa仿真Simulation /MPa 误差Error /%应变花1Gauge 1-65722737.4-2.1应变花2Gauge 2-130925954-3.1应变花3Gauge 3-23011001149-4.4应变花4Gauge 4-33011701221-4.5应变花5Gauge 5-4309801035-5.6应变花6Gauge 6-530580550.5 5.1应变花7Gauge 7-62041403.6图8㊀板簧3应力分布云图Fig.8㊀Stress nephogram of leaf 32㊀板簧台架疲劳CAE 分析及试验对标㊀㊀强度分析不足以在设计阶段对板簧疲劳寿命进行定量评估,因此,需要进行疲劳分析来对其耐久寿命进行评估㊂板簧的疲劳寿命除了和在外力作用下受到的应力水平及材料特性有关外,也和制造工艺有关㊂板簧的热处理及喷丸工艺对其寿命影响显著,本文针对不同的表面修正系数与寿命的关系进行了台架试验对标分析㊂2.1㊀钢板弹簧材料参数测试㊀㊀为了获取钢板弹簧的材料疲劳参数,对板簧坯料㊀848㊀机㊀㊀械㊀㊀强㊀㊀度2023年㊀进行取样㊂之所以是对钢板弹簧坯料而不是板簧样件进行取样测试,主要是因为板簧样件具有一定的弧度及表面热处理,会影响疲劳性能参数㊂表4所示为实测的板簧坯料材料性能参数,由表4中参数拟合获得S-N 曲线㊂表4㊀板簧材料疲劳测试参数Tab.4㊀Leafspring material fatigue parameter序号No.最大应力Max stress /MPa应力幅值Stress amplitude /MPa寿命Life /cycle 1950405513942950405873823950405760904750315192360575031516440867503151272527700292.53470788700292.52720649700292.558519710680283.553923711680283.571685412680283.552692013680283.588862114680283.576730415650270135681716650270905346176502702394278186502701635917196502707562412.2㊀台架试验㊀㊀板簧应变花贴片会影响板簧的表面组织,从而影响板簧的疲劳寿命,取新的板簧样件5件,安装于台架上(图9),进行板簧的台架疲劳寿命试验㊂板簧疲劳测试方法为:先将板簧垂向加载至板簧满载弧高,然后以满载到板簧极限行程的位移幅值做往复正弦加载分析,试验至板簧断裂为止㊂图9㊀板簧台架疲劳测试Fig.9㊀Leafspring fatigue rig test2.3㊀不同CAE 仿真设置与台架试验对标㊀㊀本文选取5组板簧样件为试验对标对象,样件来源于经过严格工艺控制的同一生产批次㊂为规避各组样件间尺寸偏差对对标精度产生影响,对每组实物样件进行点云扫描;然后基于点云逆向绘制三维CAD 模型,基于样件逆向的CAD 模型创建CAE 模型;最后进行疲劳仿真对标分析㊂疲劳分析时,不同应力状态求解方法如下:约束边界条件,板簧前后卷耳释放沿板簧长度方向的自由度及绕卷耳轴线方向自由度,其他自由度约束;在板簧座分别施加垂向位移D Z1㊁D Z2㊁D Z3,获得三个有限元模型,并基于Abaqus 求解获得三个.odb 结果文件㊂其中,D Z1为板簧从自由状态位移到板簧在整车满载静止平衡状态下位移量,D Z2为板簧从自由状态位移至板簧在整车状态下的极限位移值(限位块压缩到极限位置),D Z3=D Z1-(D Z2-D Z1)㊂该规范依据损伤等效原则[10],将试验场实测板簧垂向位移的随机信号转换成等幅值的规则谱信号[11]㊂由于钢板弹簧在垂向受载时,理论最大应力幅值位置不发生变化,为了简化试验设置,台架试验时仅等效为一种台架试验载荷进行台架试验㊂将上述三个有限元结果文件导入疲劳分析软件,模拟和试验一致的疲劳受力流程计算疲劳寿命㊂疲劳分析时需要考虑表面粗糙度疲劳分析软件,软件有Polished 和As Rolled 等类型,考虑板簧的制造过程为滚压成型,本文将表面粗糙度设置为As Rolled 类型,即滚压类型㊂由于大部分疲劳失效起源于板簧的表面,因此,工程实践中通常通过表面处理来提高板簧的疲劳寿命㊂热处理及喷丸是板簧表面处理的重要工艺,喷丸工艺通过引入表面的残余压应力来提高表面疲劳寿命㊂喷丸工艺参数对表面的残余压应力及疲劳寿命有很大的影响㊂本文为了研究某一板簧供应商的表面处理工艺过程对板簧疲劳寿命的影响,在疲劳软件中对表面处理系数(Surface Treatment Factor,STF)进行对标研究㊂疲劳仿真分析过程中,针对每个样件,分别采用1.0㊁1.1㊁1.2三个不同的表面系数进行仿真分析,仿真分析结果与试验结果如表5所示㊂由表5可知,表面处理系数对仿真疲劳寿命影响显著,表面处理系数值越大,仿真疲劳寿命越长;试验寿命值介于表面处理系数1.1与1.2所对应的仿真疲劳寿命值之间,且与表面处理系数1.1的仿真疲劳寿命值更接近;同时,考虑到试验值与仿真值之间的安全裕度,板簧仿真分析过程中,表面处理系数采用1.1能获得更高的对标精度,图10和图11所示分别为样件3台架试验结果和CAE 仿真分析结果,断裂位置仿真与试验非常接近㊂其中,五个实物样件均从宏观和微观入手进行了板簧断裂失效机理分析,宏观断口形貌见图12,可见明显的瞬断区㊁疲劳扩展区与疲劳源区,属于典型的疲劳断裂㊂对疲劳源区进行电镜扫描观察,图13所示为源区的微观形貌,未见明显冶金缺陷㊂㊀第45卷第4期陈为欢等:汽车钢板弹簧CAE 仿真分析与台架试验对标研究849㊀㊀表5㊀不同表面修正系数仿真结果和台架试验对标Tab.5㊀Different CAE result and rig test result疲劳寿命Fatigue life表面处理系数STF样件1Sample 1样件2Sample 2样件3Sample 3样件4Sample 4样件5Sample 51887947909898347918771098141.1103464883431190981090061257301.2136884114737151946142409154406试验Test 10909190800125106118963130205图10㊀断裂板簧台架试验Fig.10㊀Rig test of fractureleafspring图11㊀疲劳寿命CAE 仿真结果Fig.11㊀CAE simulation result of fatiguelife图12㊀试件断口宏观形貌Fig.12㊀Macro morphology of the specimenᶄsfracture图13㊀疲劳源区微观形貌Fig.13㊀Micro morphology of initialization3㊀结语㊀㊀为了找出CAE 仿真板簧疲劳寿命的有效方法,首先对板簧刚强度仿真模型进行台架试验对标,找出了能够保证仿真精度的板簧CAE 仿真建模方法;然后基于实测板簧疲劳材料参数,应用不同的表面修正系数对板簧进行疲劳寿命对标研究,找出和试验结果较吻合的CAE 仿真参数设置㊂得出了以下结论:1)板簧基于3~5mm 一阶六面体单元进行建模,无法获得精确的强度分析结果;基于一阶六面体单元包裹壳单元(0.001mm 厚)进行建模,刚强度分析结果和台架试验对标良好,模型可以用于疲劳寿命仿真分析㊂2)板簧疲劳仿真分析中,板簧的表面修正系数对疲劳仿真结果影响很大,本文所研究板簧厂的板簧表面修正系数取1.1能和台架试验良好对标㊂3)该板簧CAE 仿真分析及对标具有较大的工程价值㊂参考文献(References )[1]㊀MEHMET B,BASARAN O,CANER D.Correlation of simulation testbench and rough road testing in terms of strength and fatigue life of a leaf spring [C]ʊ2017Procedia Engineering,2018(213):303-312.[2]㊀AHMET K,MURATHAN S,TOLGA E,et al.Parabolic leaf springoptimization and fatigue strength evaluation on the base of road load data,endurance rig test and non linear finite element analysis [R].SAE Technical Paper,2011:2011-01-0438.[3]㊀顾永梁.少片钢板弹簧的结构设计与疲劳寿命计算[D].长沙:湖南大学,2012:4-8.GU YongLiang.Taper leafspring structure design and fatigue life calculation [D ].Changsha:Hunan University,2012:4-8(In Chinese).[4]㊀KONG Y S,OMAR M Z,CHUA L B,et al.Fatigue life prediction ofparabolic leaf spring under various road conditions[J].EngineeringFailure Analysis,2014(46):92-103.[5]㊀MEHMET B,MURAT S,SERTER prehensive durabilityassessment of leaf springs with CAE methods [R].SAE Technical Paper,2014:2014-01-2297.[6]㊀MURATHAN S,NILAY G,MUSTAFA K,et al.Parabolic leaf springfatigue life based on road load data,endurance rig test and wind up evaluations [R].SAE Technical Paper,2012:2012-01-0227.[7]㊀TAKAHASHI K,AMANO T,ANDO K,et al.Improvement of fatiguelimit by shot peening for high-strength steel containing a crack-like surface defect[J].International Journal of Structural Integrity,2011(2):281-292.[8]㊀MIAO H Y,DEMERS D,LAROSE S,et al.Experimental study ofshot peening and stress peen forming [J ].Journal of MaterialsProcessing Technology,2010(210):2089-2102.[9]㊀KONG Y S,ABDULLAH S,OMAR M Z.Failure assessment of a leafspring eye design under various load cases [J].Engineering FailureAnalysis,2016(63):146-159.[10]㊀葛文韬,龚春辉,刘㊀洲,等.基于实测载荷谱的板簧衬套载荷谱提取及台架疲劳试验[J].机械强度,2020,42(1):43-49.GE WenTao,GONG ChunHui,LIU Zhou,et al.Bush load extraction based on road load and rig test[J].Journal of Mechanical Strength,2020,42(1):43-49(In Chinese).[11]㊀朱剑峰,张君媛,陈潇凯,等.汽车控制臂台架疲劳试验载荷块编制[J].吉林大学学报(工学版),2017,47(5):1367-1372.ZHU JianFeng,ZHANG JunYuan,CHEN XiaoKai,et al.Automotive control arm fatigue rig test load block construction [J].Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition ),2017,47(5):1367-1372(In Chinese).。

CAD\CAE 技术在机械设计中的应用发布时间：2021-10-15T07:50:57.602Z 来源：《科学与技术》2021年18期作者：高凌霄[导读] CAD\CAE技术由计算机技术发展而来，广泛应用于机械产品的设计过程中高凌霄四川省成都工业职业技术学院 610218摘要：CAD\CAE技术由计算机技术发展而来，广泛应用于机械产品的设计过程中，不同于传统的设计方法，CAD\CAE技术的应用大大缩短的了设计过程所需的时间，保证了设计过程的效率和准确性，大大节约了研发过程的投入，从而提高产品竞争力。

本文将对CAD\CAE在机械设计中的具体应用做出介绍，并对其优势和劣势进行分析，进而对CAD\CAE技术的发展方向做出探索。

关键词：CAD\CAE技术；机械设计；效率；准确性；具体应用前言：CAD\CAE技术作为计算机辅助设计技术，已经成为机械设计过程中所用到的一项重要手段，其中CAD技术主要指计算机辅助设计技术，主要指在设计过程中利用相关图形设计软件设计出产品的三维图形，从而简化设计过程，保证设计的准确性；CAE技术作为计算机技术和工程分析技术的结合体，利用计算机对通过CAD技术设计出的产品进行辅助分析、计算和仿真等工作，从而验证产品是否满足设计要求，从而减少了过去机械设计过程中的试验时间，减少试验成本。

1.CAD\CAE技术在机械设计中的应用1.1CAD技术在机械设计中的应用1.1.1利用CAD技术实现零件的实体建模利用CAD技术实现零件的实体建模，从而大大缩短设计过程所需的时间并保证设计的准确，目前常用的建模方式为表面、线框、实体三种模型方式，同时通过CAD软件自带的系统结构还可以对零件进行一些简单的分析工作，从而对设计模型进行优化，设计过程直观、简便，而且现在三维建模的过程还可以显示出零件的材料、质量、密度等特性，完成三维零件建模后，利用二维CAD完成零件的二维图纸，利用CAD软件的相关功能，例如复制、阵列、镜像等功能，等设计师对相关软件应用熟练以后，至少可以减少一半的绘图时间，大大减轻了设计师的劳动量。

（研究生课程论文）汽车CAD/CAE论文题目：对线性/非线性弹簧的计算机辅助设计及分析指导老师：熊欣学院班级：车辆A1101学生姓名：张劼学号：10497211021002011年12 月汽车CAD/CAE——对线性/非线性弹簧的计算机辅助设计及分析张劼（武汉理工大学汽车工程学院；车辆工程A1101班；1049721102100）摘要：基于CAD软件CATIA和有限元分析软件ANSYS，对一组线性/非线性弹簧进行计算机三维设计和力学分析。

首先对传统线性弹簧进行分析，利用了材料力学经典公式和ANSYS分析两种方法；然后对与传统弹簧等中径的变截面变螺距弹簧进行研究。

分析结果表明：所设计的非线性弹簧，其刚度具有明显的非线性特性，总体刚度明显大于线性弹簧，应力分布也优于线性弹簧。

关键词：CAD/CAE；有限元分析；非线性弹簧Abstract:This paper designs a couple of linear/nonlinear springs with CAD software CATIA and analyses them with CAE tool ANSYS. For the linear spring, two methods are used to analyze: the classic material mechanics formula and the analysis by ANSYS. For nonlinear spring, the section and pitch are designed changeable to realize the nonlinear function. The analysis result shows that the nonlinear spring has a clear nonlinear performance; the stiffness is totally larger than linear spring’s; and the distribution of stress is better than linear spring’s.Keywords: CAD/CAE; FEA; nonlinear spring1.引言1.1 汽车悬架中弹簧的应用悬架系统是现代汽车的重要组成部分，它对汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性等有很大的影响。

（研究生课程论文）汽车CAD/CAE论文题目：对线性/非线性弹簧的计算机辅助设计及分析指导老师：熊欣学院班级：车辆A1101学生姓名：张劼学号：10497211021002011年12 月汽车CAD/CAE——对线性/非线性弹簧的计算机辅助设计及分析张劼（武汉理工大学汽车工程学院；车辆工程A1101班；1049721102100）摘要：基于CAD软件CATIA和有限元分析软件ANSYS，对一组线性/非线性弹簧进行计算机三维设计和力学分析。

首先对传统线性弹簧进行分析，利用了材料力学经典公式和ANSYS分析两种方法；然后对与传统弹簧等中径的变截面变螺距弹簧进行研究。

分析结果表明：所设计的非线性弹簧，其刚度具有明显的非线性特性，总体刚度明显大于线性弹簧，应力分布也优于线性弹簧。

关键词：CAD/CAE；有限元分析；非线性弹簧Abstract:This paper designs a couple of linear/nonlinear springs with CAD software CATIA and analyses them with CAE tool ANSYS. For the linear spring, two methods are used to analyze: the classic material mechanics formula and the analysis by ANSYS. For nonlinear spring, the section and pitch are designed changeable to realize the nonlinear function. The analysis result shows that the nonlinear spring has a clear nonlinear performance; the stiffness is totally larger than linear spring’s; and the distribution of stress is better than linear spring’s.Keywords: CAD/CAE; FEA; nonlinear spring1.引言1.1 汽车悬架中弹簧的应用悬架系统是现代汽车的重要组成部分，它对汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性等有很大的影响。