【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的總截面系數(shù) 7500][4 )(0 ??? wW ksLFW ? 將上式代入 得 鋼 板 彈 簧 的 平均厚 度為mmEfksLWJh c wp ][)(/2 200 ???? ?? 再 由式 鋼板彈簧的片數(shù) n=6,寬度 b=100mm,厚度 h= 各片的長(zhǎng)度分別 確定 為 L1=1500mm， L2=1260mm， L3=1020mm， L4=770mm，L5=550mm， L6=315mm。 由公式 來驗(yàn)算鋼板彈簧的剛度： mmNYYaEcnk kkk/135)(61 13 1??? ?? ??? ，與由式 c=FW/fC得到的 c=129N/mm 相比較誤差為 %，符合要求。 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 ???? 。 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑 mmHLR 28 408 020 ?? 汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)，后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)最大應(yīng)力。 σmax 用 公式 MP aMP abhMGWll cllmG 1000][735)( )( 1 22021 1211m a x ????? ?? ???? ，所以該方案強(qiáng)度可靠。 設(shè)計(jì)方案二 重新選擇參數(shù) ,鋼板 彈簧材料使用 55SiMnVB鋼， Fw=10000N，fc=,fd=80mm，滿載弧高取 fa=20mm，鋼板彈簧長(zhǎng)度 L取 1600mm。 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。 由公式 來驗(yàn)算鋼板彈簧的剛度： mmNYYaEcnk kkk/)(61 13 1??? ?? ??? ，與由式 c=FW/fC得到的 c=116N/mm相比較誤差為 5 %，符合要求。 由公式 得 g 鋼 板 彈 簧 總 成 在 自 由 狀 態(tài) 下 的 弧 高mmfffH ac )(0 ????? ，其中 mmL ffsLsf ca ))(3( 2 ???? 。 鋼板彈簧總成在自由狀態(tài)下的曲率半徑 mmHLR 28 178 020 ?? 汽車驅(qū)動(dòng)時(shí)，后鋼板彈簧承受的載荷最大，在它的前半段出現(xiàn)最大應(yīng)力。 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。 設(shè)計(jì) 方案三 在方案三中我準(zhǔn)備設(shè)計(jì)一個(gè)少片彈簧 ，我實(shí)地測(cè)量了一個(gè)三片的鋼板彈簧， L1=1500mm,L2=1300mm,L3=1000mm,寬 b=75mm,厚 h=10mm，其 中第三塊鋼板是按拋物線形變化的變截面彈簧。 我將用 UG建模軟件分別畫出我的三個(gè)方案的模型，并用有限元分析軟件 ABAQUS進(jìn)行有限元分析。 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) 19 2 UG建模 UG 簡(jiǎn)介 UG (Unigraphics)是 EDS 公司推出的一套集 CAD/CAM/CAE 的于一體的三維參數(shù)化軟件，具有強(qiáng)大的建模、分析和加工功能。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?！惫ぞ?。應(yīng)用 UG 的建模功能，設(shè)計(jì)工程師可快速進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，交互建立和編輯各種復(fù)雜的零部 件模型。根據(jù)已建立的三維零件模型， UG 的各種應(yīng)用功能既可對(duì)模型進(jìn)行裝配操作、創(chuàng)建二維工程圖；也可對(duì)模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析，進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估和優(yōu)化；同時(shí)，還可根據(jù)模型設(shè)計(jì)工裝夾具、進(jìn)行加工處理，直接生成數(shù)控程序，用于產(chǎn)品的加工。 UG 在航空航天、汽車、通用機(jī)械、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療器械以及其它高科技應(yīng)用領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)計(jì)和模具加工自動(dòng)化的市場(chǎng)上得到了廣泛的應(yīng)用。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。應(yīng)用 UG 的建模功能，設(shè)計(jì)師可快速進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，交互建立和編輯各種應(yīng)用復(fù)雜的零部件模型。根據(jù)已建立的三維零件模型， UG 的各種應(yīng)用功能既可對(duì)模型進(jìn)行裝配操作、創(chuàng)建二維工程圖；也可以對(duì)模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析，進(jìn)行設(shè)計(jì)評(píng)估和優(yōu)化；同時(shí)也可以根據(jù)模型設(shè)計(jì)工裝夾具、進(jìn)行加工處理，直接生上海工程技術(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) 20 成數(shù)控程序，用于產(chǎn)品的加工。從 開始 ,應(yīng) GM 公司車身設(shè)計(jì)要求而開發(fā) WAVE (Whatif Alternative Value Engineering),以解決車身設(shè)計(jì)“牽一發(fā)而系全身”的難題 ,極大地減少了設(shè)計(jì)人員重復(fù)設(shè)計(jì)的浪費(fèi) ,并為縮短設(shè)計(jì)周期創(chuàng)造條件 ,使車身設(shè)計(jì)從原來的三年縮短到現(xiàn)在的十二個(gè)月。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)過程中。 采用 WAVE技術(shù)，當(dāng)某個(gè)總體參數(shù)改變后，產(chǎn)品會(huì)按照原來設(shè)定的控制結(jié)構(gòu)、幾何關(guān)聯(lián)性和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，自動(dòng)地更新產(chǎn)品系統(tǒng)中每一個(gè)需要改變的零件，并確保產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖和整體性。這樣的更新是快速而準(zhǔn)確的。 在設(shè)計(jì)過程中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書中的技術(shù)指標(biāo)去實(shí)地測(cè)量的數(shù)據(jù)和尺寸完成一 個(gè)鋼板彈簧的整體的模型， 然后再設(shè)計(jì)兩種方案再建兩個(gè)模型 進(jìn)行比較 。 新建 一 個(gè)文件命名為 leaf spring 的模型 。 打開 UG后，首先進(jìn)入 Modeling的模塊，然后點(diǎn)擊 Sketch 先畫草圖。在草圖里 用 Arc/Cricle… 根據(jù)尺寸畫出鋼板彈簧的側(cè)面圖的輪廓線 。（見圖 ） 然后點(diǎn)擊 Finish Sketch 推出草圖模式。 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。 圖 鋼板彈簧的實(shí)體模型 3 有限元分析 有限元的發(fā)展趨勢(shì) “ 有限元 ” 這個(gè)名詞第一次出現(xiàn)，到今天有限元在工程上得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展歷史，理論和算法都已經(jīng)日趨完善。有限元的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化，就是將實(shí)際結(jié)構(gòu)假想地離散為有限數(shù)目的規(guī)則單元組合體，實(shí)際結(jié)構(gòu)的物理性能可以通過對(duì)離散體進(jìn)行分析，得出滿足工程精度的近似結(jié)果來替代對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)的分析，這樣可以解決 很多實(shí)際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。 近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析在工程設(shè)計(jì)和分析中得到了越來越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題的有效途 徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都上海工程技術(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) 22 已離不開有限元分析計(jì)算，其在機(jī)械制造、材料加工、航空航天、汽車、土木建筑、電子電器，國(guó)防軍工，船舶， 鐵道，石化，能源，科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1） 增加產(chǎn)品和工程的可靠性； （ 2） 在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在 的問題 （ 3） 經(jīng)過分析計(jì)算，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低原材料成本 （ 4） 縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間 （ 5） 模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi) 國(guó)際上早在 60年代初就開始投入大量的人力和物力開發(fā)有限元分 程析 ，但真正的 CAE軟件是誕生于 70年代初期，而近 15年則是 CAE軟件商品化的發(fā)展階段， CAE開發(fā)商為滿足市場(chǎng)需求和適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在大力推銷其軟件產(chǎn)品的同時(shí)，對(duì)軟件的功能、性能，用戶界面和前、后處理能力，都進(jìn) 行了大幅度的改進(jìn)與擴(kuò)充。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個(gè)工程實(shí)際問題，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)。目前流行的 CAE分析軟件主要有 NASTRAN、 ADINA 、 ANSYS、 ABAQUS、MARC、 MAGSOFT、 COSMOS等。 MSCNASTRAN軟件因?yàn)楹?NASA的特殊關(guān)系，在航空航天領(lǐng)域有著很高的地位，它以最早期的主要用于航空航天方面的線性有限元分析系統(tǒng)為基礎(chǔ)，兼并了 PDA公司的 PATRAN，又在以沖擊、接觸為特長(zhǎng)的 DYNA3D的基 礎(chǔ)上組織開發(fā)了 DYTRAN。近來又兼并了非線性分析軟件 MARC,成為目前世界上規(guī)模最大的有限元分析系統(tǒng)。 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。 ADINA非線性有限元分析軟件由著名的有限元專家、麻省理工學(xué)院的 ，其單一系統(tǒng)即可進(jìn)行上海工程技術(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) 23 結(jié)構(gòu)、流體、熱的耦合計(jì)算。并同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分算法。由于其在非線性求解、流固耦合分析等方面的強(qiáng)大功能，迅速成為有限元分析軟件的后起之秀，現(xiàn)已成為非線性分析計(jì)算的首選軟件 。 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。為了滿足工程師快捷地解決復(fù)雜工程問題的要求，許多商業(yè)化有限元分析軟件都開發(fā)了和著名的 CAD軟件（例如 Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks、 IDEAS、 Bentley和 AutoCAD等）的接口。有些 CAE軟件為了實(shí)現(xiàn)和 CAD軟件的無縫集成而采用了 CAD的建模技術(shù)，如 ADINA軟件由于采用了基于 Parasolid內(nèi)核的實(shí)體建模技術(shù)，能和以 Parasolid為核心的 CAD軟件（如 Unigraphics、 SolidEdge、 SolidWorks）實(shí)現(xiàn)真正無縫的雙向數(shù)據(jù)交換。 更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力 有限元法求解問題的基本過程主要包括：分析對(duì)象的離散化、有限元求解、 計(jì)算結(jié)果的后處理三部分。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，近年來各軟件開發(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)分析軟件仍然沒有此功能。自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分 是指對(duì)三維上海工程技術(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) 24 實(shí)體模型程序能自動(dòng)的劃分出六面體網(wǎng)格單元，現(xiàn)在大多數(shù)軟件都能采用映射、拖拉、掃略等功能生成六面體單元，但這些功能都只能對(duì)簡(jiǎn)單規(guī)則模型適 用，對(duì)于復(fù)雜的三維模型則只能采用自動(dòng)四面體網(wǎng)格劃分技術(shù)生成四面體單元。對(duì)于四面體單元，如果不使用中間節(jié)點(diǎn)，在很多問題中將會(huì)產(chǎn)生不正確的結(jié)果，如果使用中間節(jié)點(diǎn)將會(huì)引起求解時(shí)間、收斂速度等方面的一系列問題，因此人們迫切的希望自動(dòng)六面體網(wǎng)格功能的出現(xiàn)。自適應(yīng)性網(wǎng)格劃分是指在現(xiàn)有網(wǎng)格基礎(chǔ)上，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果估計(jì)計(jì)算誤差、重新劃分網(wǎng)格和再計(jì)算的一個(gè)循環(huán)過程。對(duì)于許多工程實(shí)際問題，在整個(gè)求解過程中，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。自 適應(yīng)網(wǎng)格往往是許多工程問題如裂紋擴(kuò)展、薄板成形等大應(yīng)變分析的必要條件。 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對(duì)塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考