三段式渐变刚度钢板弹簧的CAE分析与研究

论文摘要

钢板弹簧是汽车非独立悬挂装置中常用的一种弹性元件。三段式渐变刚度钢板弹簧是目前悬架刚度曲线与悬架理想刚度曲线最接近的钢板弹簧悬架,正在被推广使用,而且随着渐变刚度钢板弹簧生产工艺的发展,它的使用范围正在不断扩大。本文在对三段式渐变刚度钢板弹簧基于接触摩擦的有限元分析的基础上,对其性能模拟分析研究。本文首先利用厂方提供的板簧参数,根据该型号三段式渐变刚度钢板弹簧的三维尺寸、曲率半径和自由弧高等设计参数,使用UG建立每一片钢板弹簧簧片的三维实体模型,并对各片空间位置进行初步定位。其次,对建成的钢板弹簧三维模型,利用HyperMesh软件进行映射网格划分,并在两簧片的接触区域生成ANSYS软件所提供的接触单元,建立起三段式渐变刚度钢板弹簧的有限元模型。通过适当的特性选取,模拟簧片间的非线性接触摩擦；模拟装配夹紧过程施加的载荷约束,并计算该过程中钢板弹簧内部产生的预应力；模拟三段式渐变刚度钢板弹簧悬架弹性特性试验,计算得出装配后钢板弹簧悬架的刚度曲线,并与实际试验结果比较,确定计算刚度的正确性。最后,利用材料的S-N曲线,并考虑钢板弹簧实际的零部件特征对其疲劳寿命的影响,利用ANSYS/Fatigue模块进行疲劳计算,确定出钢板弹簧的疲劳危险区域以及疲劳寿命。根据机械振动学原理,对钢板弹簧进行阻尼特性仿真分析,计算出该型号三段式渐变刚度钢板弹簧悬架的阻尼比,为减振器设计提供参考意见。本文基于接触摩擦的有限元法,对某型号三段式渐变刚度钢板弹簧进行刚度、疲劳寿命和阻尼的仿真分析,并将计算结果与试验结果进行对比。研究表明,基于接触摩擦的有限元法在钢板弹簧悬架特性分析中有很高的准确性,对实体模型采用疲劳寿命的S-N曲线法计算能定性的预测出疲劳破坏发生的区域及结构的疲劳寿命,在实际应用中可以缩短开发周期,减少设计试验成本,有很高的实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 悬架及钢板弹簧简介
• 1.1.1 悬架的组成与分类
• 1.1.2 钢板弹簧的作用
• 1.1.3 钢板弹簧的发展概述
• 1.1.4 钢板弹簧的基本结构形式
• 1.2 三段式渐变刚度钢板弹簧国内外研究现状
• 1.3 本课题研究的内容和意义
• 第2章 三段式渐变刚度钢板弹簧的结构与性能试验
• 2.1 三段式渐变刚度钢板弹簧的基本结构
• 2.1.1 三段式渐变刚度钢板弹簧与普通钢板弹簧的结构对比
• 2.1.2 三段式渐变刚度钢板弹簧的设计技术参数
• 2.2 三段式渐变刚度钢板弹簧的制造工艺简介
• 2.2.1 制造要求概述
• 2.2.2 三段式渐变刚度钢板弹簧工艺流程简介
• 2.3 三段式渐变刚度钢板弹簧性能试验
• 2.3.1 弹性特性试验
• 2.3.2 垂直载荷下的疲劳试验
• 2.4 本章小结
• 第3章 三段式渐变刚度钢板弹簧有限元模型的建立
• 3.1 有限元分析概述
• 3.1.1 有限元分析的基本原理
• 3.1.2 三维有限元的分析过程
• 3.1.3 有限元分析的基本步骤
• 3.2 ANSYS概况
• 3.2.1 ANSYS软件介绍
• 3.2.2 ANSYS软件的分析步骤
• 3.3 三段式渐变刚度钢板弹簧有限元模型的建立
• 3.3.1 三段式渐变刚度钢板弹簧的三维建模
• 3.3.2 三维网格的映射法划分
• 3.3.3 边界条件的定义
• 3.4 三段式渐变刚度钢板弹簧的接触定义
• 3.4.1 接触法的理论分析
• 3.4.2 ANSYS对接触问题的处理方法与数学原理
• 3.4.3 接触单元的生成及特性
• 3.5 本章小结
• 第4章 三段式渐变刚度钢板弹簧有限元模型的计算
• 4.1 三段式渐变刚度钢板弹簧有限元模型的验证
• 4.2 三段式渐变刚度钢板弹簧装配的有限元模型
• 4.2.1 装配预应力的理论计算
• 4.2.2 装配预应力数学模型模型求解器设置
• 4.2.3 三段式渐变刚度钢板弹簧仿真装配
• 4.3 三段式渐变刚度钢板弹簧的刚度计算
• 4.3.1 钢板弹簧刚度的传统计算方法简介
• 4.3.2 基于接触摩擦的有限元法对钢板弹簧刚度的仿真计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 三段式渐变刚度钢板弹簧的疲劳寿命分析
• 5.1 疲劳寿命分析方法
• 5.1.1 疲劳和抗疲劳设计
• 5.1.2 疲劳累积损伤理论
• 5.2 疲劳寿命的影响因素
• 5.3 S-N曲线的获得
• 5.4 三段式多渐变刚度板弹簧的疲劳寿命仿真分析
• 5.4.1 疲劳危险区域的确定
• 5.4.2 疲劳寿命仿真分析
• 5.5 加工工艺对三段式渐变刚度钢板弹簧疲劳寿命的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 三段式渐变刚度钢板弹簧阻尼计算
• 6.1 钢板弹簧阻尼特性的理论介绍
• 6.2 研究钢板弹簧的阻尼特性的意义
• 6.3 三段式渐变刚度钢板弹簧阻尼特性的仿真分析
• 6.3.1 仿真计算方案的选择
• 6.3.2 阻尼特性的仿真计算
• 6.4 摩擦系数对钢板弹簧片间阻尼特性的影响
• 6.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录