钢板弹簧简化模型有限元分析

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。

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。

少片变截面钢板弹簧的有限元分析吴娜;张士强【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.%Based on the theory of finite element, static analysis and modal analysis are used to analyze less taper leaf spring with ANSYS software. The stress distribution nephogram, the stress-displacement curve, different six modes nephogram are obtained, which can offer the forecast parameters of the modal characteristics and the scientific basis for the development and design of the less taper leaf spring.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2012(012)034【总页数】4页(P9435-9438)【关键词】有限元;少片变截面钢板弹簧;静力分析;模态分析【作者】吴娜;张士强【作者单位】唐山学院机电工程系,唐山063000;唐山学院机电工程系,唐山063000【正文语种】中文【中图分类】U463.334.1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］。

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。

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。

汽车复合材料板弹簧的有限元分析及性能测试目前，全球的能源紧急、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削减油耗、爱护环境。

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1/15~1/10，假如使用复合材料，其质量可减轻60%~70%。

此外，复合材料的模量小、比重轻、比强度高、抗疲惫性能好，可提高驾驶的舒适性、稳定性及耐用性。

于1981年利用缠绕技术胜利制备出了玻纤复合材料板弹簧;英国GKN公司生产的复合材料板弹簧也已胜利实现了产业化;德、日、法等国也都对复合材料板弹簧开展了大量的基础性讨论工作。

目前，我国还没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讨论还处于初步的探究与试验阶段。

如，郭红等人讨论了钢板簧片中夹芯复合材料后组成的板弹簧的结构性能;赵洪斌等人从原材料、成型工艺等方面对复合材料板弹簧的制作进行了介绍。

现有讨论针对所设计的某型汽车复合材料板弹簧，利用ABAQUS有限元软件对其在预设静载工况下的应力状态进行了分析，计算了其刚度系数和最大承载力;同时，针对制备出的复合材料板弹簧样品进行了试验测试，得到了其实测的静态刚度和最大承载力。

通过对比发觉，有限元计算结果与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。

针对设计的某型汽车复合材料板弹簧进行了有限元分析，得到了其在预设载荷工况下的应力状态，对比复合材料的压缩强度值得到其平安系数为3.4;计算得到复合材料板弹簧的刚度系数为157.2N/mm，其最大承载力为35kN。

同时，对采纳模压工艺制备出的复合材料板弹簧样品进行了静态刚度和最大承载力试验测试，其值分别为154.46N/mm和34566N，与有限元计算的结果相比，其偏差分别为1.7%和1.8%，可知理论计算与试验结果吻合较好，表明该复合材料板弹簧的主要性能达到设计要求。

该复合材料板弹簧的质量为5.792kg，与钢板弹簧质量(16kg)相比减重达63%以上，可实现车辆的轻质化。

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。

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。