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汽车钢板弹簧柔性体建模与仿真研究宋桂霞【摘要】为了建立钢板弹簧的动力学分析模型,研究其在整车动力学分析方面的应用,利用HyperWorks建立板簧的有限元模型,并计算板簧的刚度.刚度模拟值与试验值能较好地吻合,验证了生成的板簧有限元模型和计算方法的正确性.在HyperWorks中通过定义模态综合法卡片CMSMETH和超单元边界自由度卡片的方法,生成板簧的模态中性文件.在ADAMS/CAR中导入板簧模态中性文件,并建立刚柔耦合的整车多体动力学模型.通过对整车模型进行平顺性脉冲输入仿真,并与试验结果对比,分析利用此方法建立的柔性体板簧在动力学方面的应用.由结果可知,建立的板簧能很好地反映动态特性,可用于整车仿真分析.【期刊名称】《农业装备与车辆工程》【年(卷),期】2011(000)006【总页数】4页(P18-21)【关键词】钢板弹簧;HyperWorks;模态中性文件法;ADAMS【作者】宋桂霞【作者单位】上海汽车商用车技术中心,上海,200438【正文语种】中文【中图分类】U463.330 引言钢板弹簧是汽车悬架系统中常用的弹性元件，尤其是在当前商用车悬架系统中，板簧承载式的悬架是商用车悬架系统中的典型代表。
与其他弹性元件相比，其结构简单，维修方便。
当纵向布置在汽车上时，除了作为弹性元件之外，还可以兼起导向和传递侧向、纵向力和力矩的作用。
由于钢板弹簧存在着大变形、接触、摩擦等诸多非线性因素的影响，其建模难度较大。
以往在研究其动特性时，多忽略其非线性因素，采用简化的线性化模型进行分析，一般将其简化成一个普通的弹簧，认为其变形与外力是线性关系。
根据钢板弹簧的结构和受载特点可知，这种简化是近似的，不精确的。
而且采用这种简化方法建立的整车多体动力学模型，只能反映真实汽车的模型特征，而不是全部[1]。
如何建立钢板弹簧的多体动力学仿真模型，准确反映板簧在运动状态下的受力和变形，以及对车辆性能的影响，一直是板簧特性研究的难点。
某工程车钢板弹簧平衡机构的力学仿真分析作者：暂无来源：《智能制造》 2014年第9期撰文 / 湖南大学机械与运载学院黄辉阳三一重工刘松林向磊肖夏本文讲述了一种重型工程机械的钢板弹簧平衡机构的力学仿真分析。
为了平衡各轴的轴荷，底盘前二轴采用了一种钢板弹簧平衡机构。
应用Hypermesh和HyperView分析软件对该结构进行强度分析，得到该机构在不同极限工况下的应力与变形，同时得出分析结论，提出了优化设计建议。
为了更全面了解优化后的平衡支架结构在各级随机路面中的响应情况，利用机械动力学分析软件Adams对该平衡结构进行了动力学建模，将其多体动力学模型分别以不同的车速在各级随机路面下进行模拟仿真，得到平衡支架的运动情况，为设计提供一定的依据。
一、前言现代多轴重型汽车底盘通常采用平衡悬架的结构来解决轴荷分配不均的问题，在两个车轴（本文讲述的是五轴底盘的前二轴）中间处的车架上铰接一个平衡机构，这样，在不平路面行驶时，靠平衡机构的作用（摆动）使前后轴的位置与路面高低相适应，使其载荷保持平衡，从而使车轮与路面保持良好的接触。
本文作者通过有限元分析软件对所述平衡机构重要部件进行了静态强度与刚度分析，在分析结论基础上进行了优化设计。
最后利用Adams多体动力学实现了对该机构在各种路面及工况下的模拟仿真，得出了合理性评估结论，给该机构的优化设计提供了依据。
二、钢板弹簧平衡悬架系统的结构与工作特点本文所述平衡悬架如图1所示，主要由前板簧、后板簧、平衡机构和板簧固定支座等组成。
支座是固定在车架上，作用是将整车的轴荷通过钢板弹簧传给车桥。
该底盘前二桥是转向桥，前后板簧端部采用滑板式结构与固定支座搭在一起，承受垂直载荷和侧向力，中部可以绕平衡机构转动。
当整车行驶在不平路面时，由于平衡机构的转动，就能够自动调整前后轮的高度，保证与路面良好的接触，避免发生车轮悬空和两车轴荷严重不等的现象。
鉴于钢板弹簧平衡机构在实际使用中受力情况比较复杂，机构的可靠性直接影响到整个悬架系统的可靠性，因此该机构必需满足以下几点设计要求。
重型载货汽车空气悬架系统动力学仿真与分析梁世龙张贵豪孙博康明摘要随着我国经济地位的增强和人民生活质量的提高，人们对载货汽车的性能提出了更高的要求，大功率化、轻量化、高速、安全、舒适是未来重型载货汽车的发展方向。
目前我国载货汽车的悬架系统主要还是钢板弹簧悬架，这种形式的悬架由于刚度较大、偏频过高、自身质量过重，平顺性不理想，不符合我国商用车的发展方向。
本文主要以某重型载货汽车的空气悬架系统作为研究对象，对一体式空气弹簧减振器进行了简单的力学特性分析及其空气弹簧刚度特性分析，并建立了相应的物理模型及数学模型；并应用 Matlab/Simulink 仿真软件对其进行建模仿真分析，得到空气悬架汽车二自由度模型的仿真结果，并进行相应分析。
（1）空气悬架系统动力学分析。
介绍空气悬架的结构组成、系统动力学模型并建立重型载货汽车1/2车辆仿真模型，应用matlab对其进行仿真。
（2）空气悬架特性分析。
从空气弹簧的特点、高度计算、刚度计算、频率计算及系统物理模型的建立几方面对空气弹簧特性进行了分析研究，并对比了传统钢板弹簧的性能特点，总结出了空气弹簧的性能优点。
（3）汽车二自由度系统模型的仿真分析。
首先对整车系统的传递特性、影响汽车平顺性的指标（车身加速度、悬架动挠度及轮胎动载）及系统响应均方根值计算的方法进行了分析研究。
然后进行了B级路面模型的建立和校验。
最后在车辆1/2仿真模型的基础上，对其仿真模型进一步简化为二自由度模型，并基于Simulink模块搭建仿真模型，把模糊控制理论和PID控制理论二者结合起来，设计出模糊 PID 控制器，在白噪声路面和不同的行驶车速输入下进行平顺性仿真试验，比较被动悬架系统、和模糊 PID 控制悬架系统的仿真试验结果。
归纳总结：根据整车模型的仿真结果，相对于被动悬架系统模糊PID控制能够提高汽车的平顺性，从而采用空气悬架系统后，整车的舒适性得到了明显改善。
关键词重型载货汽车;空气悬架;动力学;仿真目录摘要 (I)1 引言 (1)2 动力学理论分析 (2)2.1 空气悬架的结构组成 (2)2.2 空气悬架系统动力学模型 (3)2.3 空气悬架系统仿真数学模型 (4)3路面模型的建立与验证 (7)3.1 B级路面的生成 (7)3.1.1空间功率谱 (7)3.1.2 时间功率谱 (7)3.1.3 建立时域模型 (8)3.2 B级路面验证 (9)4 整车系统的传递特性 (11)4.1 整车系统的传递特性 (11)4.2座椅处加速度、车身加速度、悬架弹簧动挠度和车轮相对动载的幅频特性11 4.2.1 座椅处加速度和车身加速度的幅频特性 (11)4.2.2 前轮和后轮相对动载F di/G i对q̇的幅频特性 (11)4.2.3 前悬架和后悬架动挠度f d1和f d2对q的幅频特性 (11)4.3系统振动响应均方根值的计算 (11)5空气弹簧特性分析 (13)5.1 空气弹簧的特性 (13)5.2 空气弹簧的高度计算 (14)5.3空气弹簧的刚度计算及分析 (16)5.4 空气弹簧频率的计算方法 (17)5.5 空气悬架系统模型的建立 (18)5.6 空气悬架与传统钢板弹簧性能差异 (19)6悬架控制系统设计及仿真分析 (20)6.1 模糊PID控制器的设计 (20)6.1.1 模糊PID控制原理 (20)6.1.2 输入输出变量的模糊化 (20)6.1.3 模糊控制规则的建立 (21)6.2 模型的建立及结果分析 (23)7 总结与望 (28)参考文献 (29)附录 (30)1 引言悬架是汽车上的重要组成部件，其任务是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，以保证汽车能平顺行驶，提高人们乘坐汽车的舒适性。
图1后三桥拟采用的平衡悬架¹支座º钢板弹簧»平衡臂1引言重型特种专用车由于自重和载荷均很大,因而其车架的承载能力和平衡悬架的性能对整车的性能及安全至关重要。
某自走式石油钻修井机后三桥平衡性不好,易造成个别轮胎过载,引起爆胎,厂家拟采用新的三桥平衡悬架替代之,而新的悬架形式与具体参数对悬架的平衡性能和整车的通过性均有较大的影响。
因此,必须结合车架和悬架的弹性变形进行综合分析;同时,还必须对整体车架和悬架主要部件的承载能力进行计算,保证整个系统具有足够的强度和刚度。
本文研究了三桥平衡悬架的有限元建模问题,并结合车架进行了有限元计算,分析了悬架的平衡性、整车的通过性,以及车架和悬架主要部件的强度,为厂家对其产品的设计改进提供参考,为研究平衡架的平衡、干涉及整车通过性等问题提供参考。
2有限元模型的建立2.1车架及悬架的结构特点自走式石油钻修井机共有6个车桥,自重达56t,车架采用边梁式结构,主要由左右两根纵梁及13根横梁焊接而成。
车架全长14000mm,纵梁间距890mm 。
两根纵梁为工字型截面,由钢板焊接而成。
横梁主要有角钢梁、矩形管梁和形状复杂的组焊梁,横梁与纵梁连接方式为焊接。
车头横梁和车尾横梁与纵梁形成闭合结构,以增加扭转刚度。
纵梁中部和车尾横梁上共装四个支撑油缸,在举升井架时起支撑作用。
靠近尾部的一根横梁上安装举升油缸,在支撑油缸支撑起整车后将井架从水平位置举升到垂直位置。
车架上安装的主要部件有驾驶室总成、发动机总成、变速箱总成、绞车架、主滚筒总成、捞砂滚筒总成及井架总成等。
原设计中前三桥通过推杆式平衡悬架与车架相连,第4和第5桥采用刚性平衡悬架,第6桥采用空气悬架。
在使用中,第6桥易过载,出现爆胎现象。
因此后三桥拟采用新的三桥平衡悬架,其结构如图1所示。
2.2车架有限元模型的建立修井机车架为典型的薄壁梁结构,一般可用梁单元或者板单元对其建模。
虽然采用梁单元能够计算出车架整体的应力水平和应力分布,具有计算规模小、计算速度快的优点,但对几何结构简化过多,计算精度较低,不能很好地反映纵横梁接头区域的应力分布,难以得到局部应力集中,而且还忽略了扭转时结构的翘曲变形。
基于Adams/Car的钢板弹簧建模及仿真应用研究马天飞，佐安康吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室，长春 130022【摘要】：简单介绍了利用铁木辛柯梁模拟钢板弹簧的基本理论，使用MSC Adams/Car软件建立了不考虑片间摩擦作用的钢板弹簧参数化模型。
进行平行轮跳试验仿真。
将所建立的钢板弹簧悬架系统应用于某商用车整车模型，进行平顺性仿真分析并利用道路试验验证了钢板弹簧模型的正确性。
通过修改关键参数迅速重新构建钢板弹簧模型以改善整车平顺性，为改进钢板弹簧设计方案提供了依据。
【关键词】汽车，钢板弹簧，参数化建模，仿真，MSC Adams/CarThe Model And Application Research 0f Leaf-spring With MSC Adams/CarMa Tianfei, Zuo AnkangState Key Laboratory of Automobile Dynamic Simulation, Changchun 130022 Abstract: The common theory of building leaf-spring model with beam method is introduced simply. The leaf-spring model with various stiffness values is built by using MSC Adams/Car without considering the friction between the leaves. The simulation of parallel wheel travel is carried out. The full vehiclemulti-body dynamics model is created in Adams/Car. The simulation of ride performance is carried out, and its results are conformable to that of vehicle test on proving ground. Therefore, it proves that virtual prototype model is correct and believable. The stiffness value used in the simulation of ride performance can be got through adjusting the key parameters of the beam, the analysis can provide evidence in designing leaf-spring.Key words: vehicle，leaf-spring model，parametric_modeling，simulation，MSC Adams/Car1 引言随着计算机技术的发展，多体动力学方法在汽车仿真领域应用的越来越广泛。
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 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