基于ANSYS的鋼板彈簧有限元分析 - 圖文-

1、計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用機(jī)電技術(shù)20lO年第4期基于ANSYS的鋼板彈簧有限元分析徐建全林佳峰陳銘年(福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,福建福州350002摘要:采用APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù),對(duì)某輕型越野汽車的后懸架鋼板彈簧進(jìn)行參數(shù)化建模。應(yīng)用ANSYS 軟件的非線性模塊,考慮鋼板彈簧實(shí)際工作過程中的大變形、片間接觸和摩擦等多種非線性因素,建立了鋼板彈簧的有限元模型,得到了鋼板彈簧在不同載荷作用下的變形和應(yīng)力分布。關(guān)鍵詞:鋼板彈簧;有限元分析;ANSYS;接觸單元中圖分類號(hào):U463.33+4.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):鋼板彈簧具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制造、維修方便,除了作為彈性元件外,還可兼起導(dǎo)向和傳遞側(cè)向、縱向力

2、和力矩的作用,其片間的接觸、摩擦在彈簧振動(dòng)時(shí)還將起到阻尼的作用,是重要的高負(fù)荷安全部件,所以目前仍被廣泛采用。鋼板彈簧的幾何形狀十分簡(jiǎn)單,但在工作過程中存在大變形(幾何非線性、各葉片間的接觸(狀態(tài)非線性等多種非線性因素。傳統(tǒng)用于剛度計(jì)算及應(yīng)力分析的方法主要有兩種:共同曲率法和集中載荷法。前者假設(shè)板簧受載后各簧片在同一截面上都具有相同的曲率,后者假設(shè)板簧各片僅在端部相互接觸。但這兩種假設(shè)都與實(shí)際不完全相符,因此計(jì)算結(jié)果和實(shí)際相差較大【2捌。本文應(yīng)用ANSYS有限元軟件對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行有限元分析,應(yīng)用點(diǎn).面接觸單元?jiǎng)澐职寤善g可能的接觸面,對(duì)板簧兩端的卷耳、中心螺栓和U型螺栓的約束做了合理的模擬,

3、盡可能的按照實(shí)際受載情況對(duì)鋼板彈簧加載,計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際的更加接近。l鋼板彈簧的有限元建模1.1鋼板彈簧有限元幾何模型的建立本文所分析的某輕型越野汽車的后鋼板彈簧由7片板簧組成,具體尺寸如表l所示。表1鋼板彈簧的尺寸16724801(201004一007一03采用ANSYS軟件的APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù),對(duì)鋼板彈簧進(jìn)行參數(shù)化建模H,5,81。生成的幾何模型如圖l所示。圖1鋼板彈簧的有限元幾何模型圖2鋼板彈簧網(wǎng)格劃分圖1.2鋼板彈簧的材料屬性和網(wǎng)格劃分鋼板彈簧的材料為60CrMnBa,彈性模量為205GPa,泊松比為O.3,屈服極限為1100MPa,抗拉強(qiáng)度為1250MPa。采用ANSYS軟

4、件中的SOLID45實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,這種單元有利于考慮鋼板彈簧的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié),能比較準(zhǔn)確反映應(yīng)力集中情況,同時(shí),在三維接觸問題的有限元解法中,這種單元往往比帶有中間節(jié)點(diǎn)的單元的收斂性更好。SoLID45單元通過8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)沿著xyz方向平移的自由度,具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變能力。在非線性有限元計(jì)算中,需要耗費(fèi)大量的資源,所以在保證精度的前提下,鋼板彈簧的單元應(yīng)盡可能的少,本文的鋼板彈簧劃分為1092個(gè)SOLID45單元和2451個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)格劃分后的鋼板彈簧模型如圖2所示。 1.3鋼板彈簧的片間接觸單元的建立機(jī)電技術(shù)2010年第4期計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用在鋼板彈

5、簧的片與片之間,因?yàn)榻佑|與否事先未知,而且接觸后存在著滑移,所以在片與片的節(jié)點(diǎn)間建立接觸單元,模擬片間的作用力。在ANSYS中,接觸單元是覆蓋在分析模型接觸面之上的一層單元,主要通過識(shí)別接觸對(duì)與生成接觸單元,設(shè)置單元關(guān)鍵字和實(shí)常數(shù)來創(chuàng)建。利用接觸單元可以跟蹤接觸位置、保證接觸協(xié)調(diào)性防止接觸表面相互穿透;并在接觸表面之間傳遞接觸應(yīng)力(正壓力和摩擦力【7】。本文選用的接觸單元分別是TARGEl70(三維目標(biāo)單元與CoNTAl73(三維8節(jié)點(diǎn)面與面接觸單元1。CoNTAl73單元與SOLID45單元都沒有帶中間節(jié)點(diǎn),這樣有助于接觸對(duì)的收斂。本文單元的實(shí)常數(shù)采用默認(rèn)值。摩擦采用庫侖模型,鋼板彈簧之間的

6、摩擦系數(shù)取0.2。圖3為接觸區(qū)域的示意圖,共1400個(gè)接觸單元。1.4中心螺栓與U型螺栓及卷耳約束模型的建立在中心螺栓的作用區(qū)域內(nèi),鋼板彈簧各片都被壓緊,因此可以認(rèn)為各片之間沒有相對(duì)滑移。所以,可以把鋼板彈簧各片在中心孔上的坐標(biāo)相同的節(jié)點(diǎn)的X、Y、Z方向的自由度耦合起來,以此來模擬中心螺栓的約束。在U型螺栓的作用下,各片在U型螺栓內(nèi)的部分被壓平,通過在建模過程中將U型螺栓內(nèi)的部分變平,來模擬U型螺栓的作用。鋼板彈簧兩端卷耳中裝有橡膠襯套,鋼板彈簧銷通過支架固定在車架上。一端卷耳是固定軸的鉸鏈約束,一端是浮動(dòng)軸的錕軸約束。本文卷耳的約束方法是設(shè)置一個(gè)彈性層,以彈性層來代替襯套,并將這個(gè)彈性層與卷

7、耳粘接起來,在固定卷耳的一端,把在彈性層內(nèi)的節(jié)點(diǎn)在X、Y、z方向的自由度都加以約束:在浮動(dòng)卷耳的一端,只約束在Y、Z方向的自由度【6,7J。1.5模型的加載鋼板彈簧的有限元模型加載分2個(gè)載荷步進(jìn)行:第一個(gè)載荷步中載荷為O,以得到只有中心螺栓和U型螺栓約束時(shí),各片在裝配狀態(tài)下的變形與應(yīng)力;第二個(gè)載荷步模擬加載過程,在鋼板彈簧弧形頂端的中部施加載荷,滿載為5250N,方向垂直向上的面分布力,分12個(gè)子步加載。模型的約束和加載如圖4所示。圖3接觸區(qū)域的示意圖圖4鋼板彈簧約束和加載2結(jié)果與分析將鋼板彈簧主片上中心孔的一點(diǎn)在Y方向的位移量作為板簧變形的撓度。根據(jù)前面各載荷步的分析結(jié)果,得出鋼板彈簧的位移

8、隨載荷的變化情況,滿載下鋼板彈簧Y方向的變形如圖5所示。鋼板彈簧滿載時(shí)的剛度為60N,mm大于額定剛度50N/mm,滿足剛度要求。滿載下鋼板彈簧的最大米塞斯應(yīng)力云圖,如圖6所示,最大應(yīng)力SMX=1240MPa小于許用應(yīng)力,滿足強(qiáng)度要求。圖5鋼板彈簧在滿載下UY的變形圖圖6鋼板彈簧在滿載下的應(yīng)力云圖3結(jié)語本文采用ANsYS軟件的APDL參數(shù)化建模,通過對(duì)7片鋼板彈簧的非線性有限元分析,得出了鋼板彈簧在不同載荷作用下的變形和應(yīng)力分布。結(jié)果表明,該鋼板彈簧的剛度和強(qiáng)度滿足要求,為鋼板彈簧的改進(jìn)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。 (下轉(zhuǎn)第23頁 基于ANSYS的鋼板彈簧有限元分析作者:徐建全, 林佳峰, 陳銘年作者單位

9、:福建農(nóng)林大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,福建,福州,350002刊名:機(jī)電技術(shù)英文刊名:MECHANICAL & ELECTRICAL TECHNOLOGY年,卷(期:2010,33(4被引用次數(shù):4次參考文獻(xiàn)(8條1.劉惟信汽車設(shè)計(jì) 20012.谷安濤應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行鋼板彈簧精確設(shè)計(jì)期刊論文-汽車工程 2002(13.鄭銀環(huán),張仲甫ANSYS接觸分析在鋼板彈簧設(shè)計(jì)中的應(yīng)用期刊論文-武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(信息與管理工程版 2009(54.博弈創(chuàng)作室APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例 20045.龔曙光;謝桂蘭;黃云清ANSYS參數(shù)化編程與命令手冊(cè) 20096.涂敏汽車鋼板彈簧有限元分析 200

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