下载文档原格式
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。
10.16638/ki.1671-7988.2018.03.027基于ANSYS软件对某重型汽车板簧固定支架进行优化设计邹衍（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）摘要：在重型汽车悬架中，板簧支架承受悬架系统通过板簧传递给车架的力，起重要作用，属于关键承载元件。
文章介绍了一种基于ANSYS软件对板簧固定支架进行有限元分析，并进行优化设计的方法。
关键词：板簧固定支架；有限元分析；优化设计中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2018)03-82-03Optimization design of a heavy automobile plate spring fixed support basedon ANSYS softwareZou Yan( Jiang Huai Automobile Corp of Anhui, Anhui Hefei 230601 )Abstract:In heavy-duty automobile suspension, the plate spring support plays an important role in the force that the suspension system transmits to the frame through the leaf spring, and belongs to the key bearing component. This paper introduces a method based on ANSYS for the finite element analysis of the leaf spring fixed support, and to optimize the design.Keywords: the plate spring support; finite element analysis; optimize the designCLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2018)03-82-03前言板簧固定是重型汽车悬架系统中的一个重要组成部件，它在汽车悬架中起承载作用，受力较大，如果板簧固定支架的强度不能满足使用要求，会使悬架系统承载能力失效，影响车辆行车安全[1]。
复合钢板弹簧的分析与优化Mahmood M. Shokrieh *, Davood Rezaei 复合材料研究实验室，机械工程系，伊朗科技大学，narmak,德黑兰16844，伊朗理论轻型车辆后悬架系统中使用的四片钢板弹簧是用ANSYS V5.4这种软件进行分析的。
有限结果显示应力和挠度的解析解和实验验证。
使用这种钢板弹簧的结果，通过ANSYS设计出了一种由玻璃纤维与环氧树脂复合制成的弹簧并且得到优化。
主要考虑的是弹簧几何的优化。
其主要目的就是获得一种能够无故障地承载静态外力的轻型弹簧。
这个设计的难点就是受力与位移。
结果表明，最佳的弹簧宽度是以双曲线的规律减小，而厚度从弹簧端孔向轴座线性的增加。
比起钢弹簧，优化复合弹簧应力较低，其自然频率较高和弹簧重量在没有端孔情况下降低80%。
2003埃尔塞维尔科技有限公司版权所有。
关键词：钢板弹簧；复合材料；形状优化；有限元；复合接头；自然频率；悬架系统；组合梁1、介绍为了取代金属零件，复合材料在现在汽车工业中得到广泛使用。
关于应用于汽车的复合材料的多篇论文得到发表。
在这里引用了其中的一些论文，重点是那些涉及复合钢板弹簧的论文。
Breadmore [ 1 , 2]研究了汽车复合结构的应用。
Moris[3]集中把复合材料应用到后方的悬挂系统。
Daugherty[ 4]研究了复合钢板弹簧在重型卡车中的应用。
Yu and Kim[ 5]设计并优化了应用于汽车悬挂的双锥形束钢板弹簧。
Corvi[ 6]调查复合梁设计的初步探讨并用它设计了一个复合钢板弹簧。
弹簧是汽车悬挂中关键的一部分，在尽量减少由于道路违规带来垂直振动，影响和颠簸并创造舒适的乘坐方面是必要的。
钢板弹簧，尤其是纵向型的，是一个可靠和持续的元素在汽车悬挂系统中。
这些弹簧通常由钢板叠加而成，长度由下而上逐步变长，使弹簧在中间抵抗弯曲的地方比较厚而在末端与机体相连的地方比较薄。
弹簧片应支持如图1所示的各种外部力量，但最重要的任务是抵抗变化的垂直力。
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。
压电变换器的自振频率分析及详细过程1.模态分析的定义及其应用模态分析用于确定设计结构或机器部件的振动特性固有频率和振型;即结构的固有频率和振型;它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数..同时;也可以作为其它动力学分析问题的起点;例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析;其中模态分析也是进行谱分析或模态叠加法谐响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程..ANSYS的模态分析可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析..前者有旋转的涡轮叶片等的模态分析;后者则允许在建立一部分循环对称结构的模型来完成对整个结构的模态分析..ANSYS提供的模态提取方法有:子空间法subspace、分块法block lancets;缩减法reduced/householder、动态提取法power dynamics、非对称法unsymmetric;阻尼法damped; QR阻尼法QR damped等;大多数分析都可使用子空间法、分块法、缩减法..ANSYS的模态分析是线形分析;任何非线性特性;例如塑性、接触单元等;即使被定义了也将被忽略..2.模态分析操作过程一个典型的模态分析过程主要包括建模、模态求解、扩展模态以及观察结果四个步骤..1.建模模态分析的建模过程与其他分析类型的建模过程是类似的;主要包括定义单元类型、单元实常数、材料性质、建立几何模型以及划分有限元网格等基本步骤..2.施加载荷和求解包括指定分析类型、指定分析选项、施加约束、设置载荷选项;并进行固有频率的求解等..指定分析类型;Main Menu- Solution-Analysis Type-New Analysis;选择Modal..指定分析选项;Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options;选择MODOPT 模态提取方法〕;设置模态提取数量MXPAND.定义主自由度;仅缩减法使用..施加约束;Main Menu-Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement..求解;Main Menu-Solution-Solve-Current LS..3.扩展模态如果要在POSTI中观察结果;必须先扩展模态;即将振型写入结果文件..过程包括重新进入求解器、激话扩展处理及其选项、指定载荷步选项、扩展处理等..激活扩展处理及其选项;Main Menu-Solution-Load Step Opts-Expansionpass-Single Expand-Expand modes..指定载荷步选项..扩展处理;Main Menu-solution-Solve-Current LS..注意:扩展模态可以如前述办法单独进行;也可以在施加载荷和求解阶段同时进行..本例即采用了后面的方法4.查看结果模态分析的结果包括结构的频率、振型、相对应力和力等所有图片大小可以自己调节实例1.在开始菜单中启动Mechanical APDL Product launcher;如图1所示其中Working Directory代表你的工作路径;也就是所有ansys的生成文件都存在这个文件加下..而job Name 就代表你所做实例的名字;实例中我们将目录设为F盘;工作名设为model2.最后点击run运行进入ansys界面..如图2所示..图22.定义单元类型拾取菜单Main M--Preprocessor-Element Type-Add/Edit/Delete;如图3所示..然后单击;图3然后单击add按钮..如图4所示;单击ok ;选择solid5单元;这样就完成了对单元的选择..然后再单击图3中的close按钮..图43.定义材料属性拾取菜单Main Menu-Preprocessor--Material Props-Material Models.弹出对话框;如图5所示..定义相对介电常数..在右侧列表中依次双击"electromagnetic";"relative permittivity"; "orthotropic".输入相关参数..图5在右侧再点击Density;如图6所示..定义材料的密度..密度为7500;单击ok..图6在右侧在依次点击“Piezoelectrics”“Piezoelectric matrix”定义压电应力矩阵;如图7所示..输入相关参数..单击ok..图7在右侧列表中依次双击"Structural"; "Linear"; "Elastic"; "Anisotropic"如图8所示;定义各向异性弹性矩阵设置;输入参数;单击ok..图8点击Material-Exit完成对材料的定义..4.建模选取菜单Parameters-Scalar Parameters 在selection中输入L=10E-3然后点击accept;再输入h=20e-3;点击accept;按照相同的步骤输入;w=10e-3;a3=1000.如图9所示..图9点击close..拾取菜单Main Menu - Preprocessor – Modeling-Create- Keypoints-In Active CS 弹出对话框;如图10所示;输入1;创建关键点1;坐标为0;0;0.点击apply..图10再输入如图11所示图11点击apply..输入图12所示..图12图13建立四个关键点..复制关键点选取modeling-copy-keypoints 弹出选框;如图14所示..点击pickall弹出图15所示的选框;输入参数;单击ok..复制一份;向z轴偏移距离为H..图14 图15改变视角选取plotctrls-pan zoom rotate-iso 然后点击close是原始坐标系不显示选取plotctrls-windows controls-windows options 如图16所示选取no shown 点击ok..图16创建直线Main Menu - Preprocessor – Modeling-Create- line-line-straight line 选取点1和5;点击ok..划分直线网格;分为4份..Main Menu – Preprocessor-meshing-size cntrls-manual size-line-all lines;如图17所示;点击ok..图17通过关键点创建面;Main Menu - Preprocessor – Modeling-Create-areas-arbitrary-through kps 弹出选框;选取点1;2;3;4..通过面拉伸体;Main Menu - Preprocessor – Modeling-operate-extrude-areas-along lines 弹出选框;选取刚才那个形成的面;单击ok;然后再选取前面我们建立的线;点击ok;形成的体如图18所示..图185.网格划分显示线号 plotctrls-numbering line numbers前打钩..点击ok..图19所示图19显示线 plot-lines选取meshing-mesh tool 如图20所示..选取line后边的set 弹出选框;选取线11.和13;单击ok;弹出如21所示;输入2;单击ok..划分为两部分..图20 图21选取 hex ;mapped;点击mesh tool 中的mesh弹出选框;选取体;单击ok..如图22所示..图226.施加约束选取节点 select-entities 弹出如图23所示的对话框;点击ok..图23拾取菜单Main Menu--Solution-Define Loads-Apply-Structural-Displacement-symmetry b.c-on nodes 弹出图24选框;单击ok..图24同理约束y轴;将图24中改为y轴;单击ok..7.分析类型拾取菜单Main Menu-Solution-Analysis Type-New Analysis..弹出对话框;选择"Type of Analysis"为"Modal";单击"OK"按钮..8.指定分析选项拾取菜单Main Menu-Solution-Analysis Type-Analysis Options..弹出对话框;在"No. of modes to extract"文本框中输入10.扩展模态数为10如图25所示;单击ok..图25频率范围50000到150000;图26所示;单击ok..图26约束z=0和z=h的面的节点电压为0.选取节点 select-entities 弹出如图27所示的对话框;点击ok..图27 图29拾取菜单Main Menu--Solution-Define Loads-Apply-electric-boundary-voltage-on node如图28所示;单击ok..图28同理定义z=h;电压为0.如图29.所示施加约束时;先选取该面上的节点;然后直接施加就是该面的约束..在每一步施加约束时;我们都先选择该面上的节点后再施加..图23;27;29都是选择相应面上的节点..然后是假载荷;不然施加的是全部节点..9.求解拾取菜单Main Menu-Solution-Solve-Current LS..单击“Solve Current Load Step”对话框的“OK”按钮..出现“Solution is done”提示时;求解结束;即可查看结果了..10列表固有频率拾取菜单Main Me-General Postproc-Results Summary..弹出窗口;列表中显示了模型的前10率;可以看出结果虽然存在一定的误差;但与解析解是基本符合的..查看完毕后;关闭该窗口..11. 拾取菜单Main Menu-General Postproc-Read Results-First Set12.用动画观察模型的一阶模态拾取菜单Utility Menu-PlotCtrls-Animate-Mode Shape..弹出对话框;单击“OK”按钮..观察完毕;单击“Animation Controller”对话框的"close"按钮13.观察其余各阶模态拾取菜单Main Menu-General Postproc-Read Results-Next Set.依次将其余各阶模态的结果读入;然后重复步骤1观察完模型的各阶模态后;请读者自行分析频率结果产生误差的原因;并改进以上分析过程..图30图30为各阶自振频率图31图31为1阶振型总结;再施加约束时;仅仅是几个面;如果忽略图23;27;29这几个过程;那结果可想而知..如果出错;仔细检查;你添加的边界约束是否正确;重复修改;结果就是这个..我只是把别人的例子详细的做了一遍..比较适合初学者..。
