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FiniteElementAnalysisontheHysteresisBehaviorofLeafSpringsDingNenggenBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing100083MaJianjunAnkaiVehicleCo1,Ltd,Hefei230051[Abstract]Inthispaperthehysteresisbehaviorofleafspringsisanalyzedusingtheface2to2facecontactelementprovidedbyANSYSFEsoftware,wherenodeforcesofthecontactelementsreplacethenormalforcesandfrictionforcesbetweencontactingleaves1Theload2deflectioncurvesduringloadingandunloadingprocessarepresented,andtheinfluenceofdifferentfrictioncoefficientsonthehysteresisanddampingcharacteristicsisana2lyzedwithapracticalexample1Besides,theequivalentdampingofleafspringsundersinusoidalexcitationofdif2ferentfrequenciesandamplitudesarealsoanalyzed1Keywords:Leafsprings,Hysteresischaracteristic,Finiteelement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。1前言钢板弹簧存在非线性和迟滞特性。车辆的动力学特性设计,必须准确计算悬架的作用力。由于钢板弹簧叶片接触面压力及摩擦力的分布都较为复杂,增加了计算钢板弹簧悬架作用力的难度。为此,国内外学者探讨了多种计算钢板弹簧悬架力学特性的方法。ToshioHamano等人[1,2]采用有限元方法对钢板弹簧的迟滞特性进行了分析,采用梁单元划分钢板弹簧结构,并构造一种特殊的接触单元处理非接触、粘性接触和滑动接触等不同状态,叶片之间的正压力和摩擦力由该特殊单元的节点力来代替。A1GhaziZadeh等人[3]利用神经网络模拟钢板弹簧特性,分析了其时域和频域特性。一般认为,采用在片间放置具有减摩作用的塑料垫片或做成只在端部接触的变截面少片弹簧可以减少片间摩擦,其目的在于减轻钢板弹簧的质量、节省材料,并减少钢板弹簧阻尼力对汽车行驶平顺性带来的不利影响[4]。但是采用变截面钢板弹簧究竟能减少多大的阻尼力,这需要通过准确计算才能确定的。采用ANSYS有限元软件计算钢板弹簧的迟滞特性,以研究钢板弹簧的等效阻尼及不同摩擦系数对钢板弹簧迟滞特性的影响。2钢板弹簧的有限元模型和求解考虑到对称性,有限元分析模型按片宽的一半建模,并假设[5]:(1)忽略吊耳衬套的弹性和阻尼;2003年(第25卷)第1期汽车工程AutomotiveEngineering2003(Vol.25)No.1©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.(2)忽略U形夹紧螺栓对主片夹紧部位应力和变形的影响;(3)钢板弹簧各叶片在两U形螺栓之间的部分在全工作状态下都紧密贴合;(4)垂直方向受力时第二片包耳的作用不大,忽略其影响。211几何模型图1为某客车前悬架钢板弹簧1/2几何模型。设定坐标系的X轴沿主片两端卷耳中心点的连线方向,Z轴沿片宽方向。叶片采用实体建模,而活动吊耳臂采用直线模型。卷耳与其中的圆柱销固为一体,并按图1作了简化。另外,各叶片在弹簧夹以外的部分按自由状态的曲率建立三维模型,故几何模型中叶片之间存在穿透现象。表1为钢板弹簧各叶片在自由状态下的尺寸。图1钢板弹簧1/2几何模型表1钢板弹簧叶片自由状态下的尺寸mm序号叶片长度叶片宽度叶片厚度单片弧高115008012642150080127331340801270411808012575102080124368608010317700801020158540801012938080106102168012115212单元划分和载荷图2为钢板弹簧的1/2FEM模型和载荷情况(为清楚起见,对称面内的约束未画出)。叶片、卷耳和卷耳销采用六面体单元SOLID45,活动吊耳臂采用二力杆单元LINK8。相邻叶片可能的接触表面,用CONTAC188面2面接触单元来模拟接触表面之间的正压力和摩擦力,所涉及到的摩擦系数在材料属性中定义。2121...
