【正文】 時(shí)，鋼板彈簧在對(duì)稱位置上工作。由于整車布置上的原因，或者鋼板彈簧在汽車上的安裝 位置不動(dòng)，又要改變軸距或者通過(guò)變化軸距達(dá)到改善軸荷分配的目的時(shí)，采用不對(duì)稱式鋼板彈簧?？v置鋼板彈簧能傳遞各種力和力矩，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，故在汽車上得到廣泛應(yīng)用。 應(yīng)用 CAE技術(shù)對(duì)汽車鋼板彈簧進(jìn)行精確設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮大變形、柔性面對(duì)柔性面的接觸 和有預(yù)負(fù)荷及工作負(fù)荷等多個(gè)載荷步條件、多工況的非線性問(wèn)題的計(jì)算工作，技術(shù)難度大 ， 一般的 CAE軟件在結(jié)構(gòu)分析模塊中，雖然可能有一定的非線性功能，但是還不能勝任這類復(fù)雜的非線性問(wèn)題求解，需要應(yīng)用專門的顯式求解理論的非線性軟件，這就要求新的軟件投資。 事實(shí)上，彈簧各片的接觸 狀態(tài)與各片本身的和同組其他葉片的自由曲率 、 弧高、厚度、長(zhǎng)度等幾何形狀 。而集中載荷法 的假定正好相反。 本文 根據(jù)汽車設(shè)計(jì)的要求對(duì)懸架中的鋼板彈簧進(jìn)行了設(shè)計(jì)和計(jì)算， 并使用 UG進(jìn)行建模，然后應(yīng)用 ABAQUS有限元分析軟件進(jìn)行了受力分析和仿真設(shè)計(jì)和計(jì)算 。隨著汽車向輕量化和高速化發(fā)展，對(duì)懸架的要求越來(lái)越高。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小型貨車鋼板彈簧結(jié)構(gòu)有限元仿真設(shè)計(jì) 1 摘 要 鋼板彈簧具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在汽車中被廣泛地使用。顯然，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車發(fā)展對(duì)懸架的要求。 關(guān)鍵詞： 鋼板彈簧 ABAQUS 有限元 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小型貨車鋼板彈簧結(jié)構(gòu)有限元仿真設(shè)計(jì) 2 Jubilee wagon spring structure finite element simulation design ABSTRACT The 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 blade39。 它假定各片只在端點(diǎn)接觸。 裝配力及工作載荷等多種因素有關(guān)，是多個(gè)彈性體的組合件承受工作載荷條件下的一個(gè)非線性 接觸響應(yīng)問(wèn)題，不可能服從一個(gè)事先的 假定 。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小型貨車鋼板彈簧結(jié)構(gòu)有限元仿真設(shè)計(jì) 5 另外，這類非線性分析需要較高的技巧和分析策略，工程設(shè)計(jì)人員使用有一定困難再有，顯式求解軟件主要應(yīng)用于碰撞、沖壓等高度非線性仿真，對(duì)鋼板彈簧這類大位移小應(yīng)力工作部件，計(jì)算的應(yīng)力精度也不夠這是 CAE技術(shù)應(yīng)用于汽車鋼板彈簧精確設(shè)計(jì)計(jì)算遲遲沒(méi)有開(kāi)展起來(lái)的原因。 縱置鋼板彈簧又有對(duì)稱式與不對(duì)稱式之分。 鋼板彈簧主要參數(shù)的確定 在進(jìn)行鋼板彈簧計(jì)算之前，應(yīng)當(dāng)知道下列初始條件：滿載靜止時(shí)汽車前、后軸 (橋 )負(fù)荷 1G 、 2G 和簧下部分荷重 1UG 、 2UG ，并據(jù)此計(jì)算出單個(gè)鋼板彈簧的載荷： 2 111 uw GGF ??和 2 222 uw GGF ??，懸架的靜撓度 cf ，和動(dòng)撓度 df ，汽車的軸距等。為了在車架高度已限定時(shí)能得到足夠的動(dòng)撓度值， 常取 mmfa 20xx～? 。增大鋼板彈簧縱向角剛度的同時(shí)，能減少車輪扭轉(zhuǎn)力矩所引起的彈簧變形；選用長(zhǎng)些的鋼板彈簧，會(huì)在汽車上布置時(shí)產(chǎn) 生困難。因此，可根據(jù)修正后的簡(jiǎn)支梁公式計(jì)算鋼板彈簧所需要的總慣性矩 J0。 將式 ()代人下式計(jì)算鋼板彈簧平均厚度 ph cwp EfksLWJh 6 ][)(/2 200 ????? ??????????????? ??? ? () 有了 ph 以后， 再選鋼板彈簧的片寬 0b 增大片寬，能增加卷耳強(qiáng)度，但當(dāng)車身受側(cè)向力作用傾斜時(shí)，彈簧的扭曲應(yīng)力增大。 鋼板彈簧片厚 h的選擇矩形斷面等厚鋼板彈簧的總慣性矩 0J 用下式計(jì)算 1230 nbhJ ? ???????????????????????????（ ） 式中， n為鋼板彈簧片數(shù)。鋼板彈簧各片厚度可能有相同和不同兩種情況，希望盡可能采用前者。 最后，鋼板斷面尺寸 b和 h應(yīng)符合國(guó)產(chǎn)型材規(guī)格尺寸。除矩形斷面以外的其它斷面形狀的葉片 (圖 、 c、 d)，其中性軸均上移，使受拉應(yīng)力作用的一面的拉應(yīng)力絕對(duì)值減小，而受壓應(yīng)力作用的一面的壓應(yīng)力絕對(duì)值增大，從而改善了應(yīng)力在斷面上的分布狀況，提高了鋼板彈簧的疲勞強(qiáng)度和節(jié)約近10％的材料。多片鋼板彈簧一般片數(shù)在 6～ 14片之間選取，重型貨車可達(dá) 20片。實(shí)際上的鋼板彈簧不 可能是三角形，因?yàn)闉榱藢摪鍙椈芍胁抗潭ǖ杰囕S (橋 )上和使兩卷耳處能可靠地傳遞力，必須使它們有一定的寬度，因此應(yīng)該用中部為矩形的雙梯形鋼板彈簧 (圖 )替代三角形鋼板彈簧才有真正的實(shí)用意義。 AB線與各葉片上側(cè)邊的交點(diǎn)即為各片長(zhǎng)度。用共同曲率法計(jì)算剛度的前提是，假定同一截面上各片 曲率變化值相同，各片所承受的彎矩正比于其慣性矩，同時(shí)該截面上各片的彎矩和等于外力所引起的彎矩。 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高及曲率半徑計(jì)算 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下 的弧高 H0 鋼板彈簧各片裝配后，在預(yù)壓縮和 U形螺栓夾緊前，其主片上表面與兩端 (不包括卷耳孔半徑 )連線間的最大高度差 (圖 )，稱為鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的弧高 H0，用下式計(jì)算 )(0 fffH ac ???? ??????????????????? ???? () 式中， fc為靜撓度； fa為滿載弧高；Δ f為鋼板彈簧總成用 U形螺栓夾緊后引起的弧高變化，22 ))(3( L ffsLsf ca ????； S為 u形螺栓中心距； L為鋼板彈簧主片長(zhǎng)度。 矩形斷面鋼板彈簧裝配前各片曲率半徑由下式確定 iii EhRRR00021 ??? ???????????????????? ????? () 式中， iR 為第 i片彈簧自由狀態(tài)下的曲率半徑 (mm)； R。選取各片彈簧預(yù)應(yīng)力時(shí)，要 求做到：裝配前各片彈簧片間間隙相差不大，且裝配后各片能很好貼和；為保證主片及與其相鄰的長(zhǎng)片有足夠的使用壽命，應(yīng)適當(dāng)降低主片及與其相鄰的長(zhǎng)片的應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力從長(zhǎng)片到短片由負(fù)值逐漸遞增至正值。 鋼板彈簧總成弧高為 028RHH???????????????????????? ???? （ ） 用式 ()與用式 ()計(jì)算的結(jié)果應(yīng)相近。 σmax 用下式計(jì)算 1220211211m a x )( )( bhMGWll cllmG ??? ?? ?? ?????????????? ???? () 式中， G2為作用在后輪上的垂直靜負(fù)荷； m2為驅(qū)動(dòng)時(shí)后軸負(fù)荷轉(zhuǎn)移系數(shù)，轎車： m’ 2=1． 25～ 1． 30，貨車： m’ 2=1． 1～ 1． 2；φ為道路附著系數(shù)；b為鋼板彈簧片寬； h1為鋼板彈簧 主 片厚度 。卷耳處所受應(yīng)力，是由彎曲應(yīng)力和拉 (壓 )應(yīng)力合成的應(yīng)力 。 對(duì)鋼板彈簧銷要驗(yàn)算鋼板彈簧受靜載荷時(shí)鋼板彈簧銷受到的擠壓應(yīng)力， σz=Fx ／ (bd)，、其中， Fx為滿載靜止時(shí)鋼板彈簧端部的載荷； b為卷耳處葉片寬； d為鋼板彈簧銷直徑。表面噴丸處理有一般噴丸和應(yīng)力噴丸兩種，后者可使鋼板彈簧表面的殘余應(yīng)力比前者大很多。片間放有減摩作用的塑料墊片，或做成只在端部接觸以減少片間摩擦。 彈簧在拋物線區(qū)段內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力相等，其值為22 26bhlFS??。 h2取 12~20mm。 由公式 得 g 鋼 板 彈 簧 總 成 在 自 由 狀 態(tài) 下 的 弧 高mmfffH ac 99)(0 ????? ，其中 mmL ffsLsf ca ))(3( 2 ???? 。 根據(jù)公式 鋼板彈簧需要的總慣性矩 430 68 44148 ])([ mmE cksLJ ??? ? 根據(jù)公式 鋼板彈簧的總截面系數(shù) 8000][4 )(0 ??? wW ksLFW ? 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小型貨車鋼板彈簧結(jié)構(gòu)有限元仿真設(shè)計(jì) 18 將上式代入 得 鋼 板 彈 簧 的 平均厚 度為 ][)(/2 200 ???? c wp EfksLWJh ?? 再由式 n=6,寬度 b=120mm,厚度 h= 各片的長(zhǎng)度分別確定為 L1=1600mm， L2=1355mm， L3=1105mm， L4=860mm，L5=565mm， L6=320mm。 σmax 用 公式 MP aMP abhMGWll cllmG 1000][722)( )( 1 22021 1211m a x ????? ?? ???? ，所以該方案強(qiáng)度 也可靠。其建模技術(shù)結(jié)合了傳統(tǒng)建模和參數(shù)化建模的優(yōu)點(diǎn)，采用尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù)，具有全相關(guān)的參數(shù)化功能，是一種“復(fù)合建模”工具。例如在輔助實(shí)體造型方面， UG 軟件具有除同類軟件所具備的通用功能外、還具有靈活的復(fù)合建模、細(xì)膩的動(dòng)畫渲染和快速的原型工具等卓越的功能，使設(shè)計(jì)者能根 據(jù)工程設(shè)計(jì)的實(shí)際情況確定最佳的建模方式，從而得到最佳的設(shè)計(jì)效果。由于 UG 軟件本身的這些優(yōu)勢(shì)使它普遍的運(yùn)用于汽車的設(shè)計(jì)過(guò)程中。 新建 一 個(gè)文件命名為 leaf spring 的模型 。 圖 鋼板彈簧的草圖 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小型貨車鋼板彈簧結(jié)構(gòu)有限元仿真設(shè)計(jì) 21 拉伸 推出草圖后點(diǎn)擊 Extrude 對(duì)草圖進(jìn)行拉伸，完成鋼板彈簧模型的建立（見(jiàn)圖 ），點(diǎn)擊保存按鈕，并 點(diǎn)擊 File的下拉式菜單中的 Export的選項(xiàng) 將模型以 Parasolid的格式導(dǎo)出，為下一步的導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS做好準(zhǔn)備。這就使得目前市場(chǎng)上知名的 CAE軟件，在功能、性能 、易用性、可靠性以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶的當(dāng)前需求，從而幫助用戶解決了成千上萬(wàn)個(gè)工程實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)也為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。 ANSYS軟件致力于耦合場(chǎng)的分析計(jì)算，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體、熱、電磁四種場(chǎng)的計(jì)算，已博得了世界上數(shù)千家用戶的鐘愛(ài)。 縱觀當(dāng)今國(guó)際上 CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出有限元分析方法的一些發(fā)展趨勢(shì)： 與 CAD軟件的無(wú)縫集成 當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與通用 CAD軟件的集成使用，即在用 CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到 CAE軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的正確性與否，近年來(lái)各軟件開(kāi)發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒(méi)有得到改進(jìn)，如對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分和根據(jù)求解結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，除了個(gè)別商業(yè)軟件做得較好外，大多數(shù)分析軟件仍然沒(méi)有此功能。對(duì)于許多工程實(shí)際問(wèn)題，在整個(gè)求解過(guò)程中，模型的某些區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生很大的應(yīng)變，引起單元畸變，從而導(dǎo)致求解不能進(jìn)行下去或求解結(jié)果不正確，因此必須進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)重劃分。為此國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開(kāi)發(fā)非線性求解分析軟件，如 ADINA、 ABAQUS等?，F(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問(wèn)題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng) 問(wèn)題的求解。 程序面向用戶的開(kāi)放性 隨著商業(yè)化的提高，各軟件開(kāi)發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額，滿足用戶的需求，在軟件的功能、易用性等方面花費(fèi)了大量的投資，但由于用戶的要求千差萬(wàn)別，不管他們?cè)鯓优σ膊豢赡軡M足所有用戶的要求，因此必須給用戶一個(gè)開(kāi)放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場(chǎng)邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。 ABAQUS無(wú)論對(duì)簡(jiǎn)單或復(fù)雜的線性和非線性工程問(wèn)題都提供了一套完整強(qiáng)大的有限元理論解決方案，對(duì)于廣泛領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)，熱和連接分析問(wèn)題都能解決。作為通用的模擬工具， ABAQUS除了能解 決大量結(jié)構(gòu)（應(yīng)力 /位移）問(wèn)題，還可以模擬其他工程領(lǐng)域的許多問(wèn)題，例如熱傳導(dǎo)、質(zhì)量擴(kuò)散、熱電耦合分析、聲學(xué)分析、巖土力學(xué)分析（流體滲透 /應(yīng)力耦合分析）及壓電介質(zhì)分析。在大部分模擬中，甚至高度非線性問(wèn)題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況。 ABAQUS有兩個(gè)主求解器模塊 — ABAQUS/Standard和 ABAQUS/Explicit ABAQUS還包含一個(gè)全面支持求解器的圖形用戶界面，即人機(jī)交互前后處理模塊 — ABAQUS/CAE。 ABAQUS的系統(tǒng)級(jí)分析的特點(diǎn)相對(duì)于其他的分析軟件來(lái)說(shuō)是獨(dú)一無(wú)二的。 ABAQUS軟件在電子工業(yè)中廣泛應(yīng)用于電子封裝、手機(jī)和家用電器的跌落分析等領(lǐng)域，在土木工程中廣泛用于巖土工程、道路、橋梁和高層建筑物結(jié)構(gòu)分析等領(lǐng)域。；針對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或輪胎結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋功能，可用于實(shí)體，板殼和梁?jiǎn)卧?*Rebar）；針對(duì)管道工程結(jié)構(gòu)的土壤 /管柱連接單元（ *PipeSoil）；解理材料模型（ Jointed Material）。 3）進(jìn)入 Part的 Module，將新導(dǎo)入的模型命名為 Spring。 圖 Star