钢板弹簧建模方法研究.pdf

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汽车
2013年(第35卷)第7期
Automotive Engineering
2013(Vol.35)No.7
2013124
钢板弹簧建模方法硏究
李凌阳,张云清,覃刚,胡三宝,侯宇明
(1.华中科技大学CAD中心,武汉430074;2、东风汽车公司技术中心,武汉430056
摘要]建立了5种不同的钢板弹簧模型,并从钢板弹簧自身的力学特性、悬架系统的K&C特性以及整车动
态特性等方面,对这5种钢板弾簧模型进行了仿真分析对比。结果表明,在传统的SAE三连杆方法和离散梁方法
的基础上引入梁单元而提出的扩展三连杆方法,建模过程较简便,仿真结果与公认具有较高精度的离散梁模型的结
果较接近,比较适用于悬架子系统和整车分析。
关键词:钢板弹簧;有限元法;离散梁;三连杆;动力学模型;建模方法
A Research on the Modeling Methods of
Leafspring
Li Lingyang Zhang Yunging Qin Gang, Hu Sanbao& Hou Yuming
1. Research Center for CAD, Huazhong University of Science and Technolgy, Wuhan 430074
2. Dongfeng Automotive Technical Center, Wuhan 430056
I Abstract Five different leafspring models are built and comparatively simulated from the aspects of the m
chanical characteristics of leafspring, the kinematic and compliance characteristics of suspension system and the dy-
namic characteristics of vehicle. The results show that the proposed extended three-link model based on traditional
SAE three-link model and discrete beam model with beam element introduced has a merit of simple modeling with a
simulation result close to that of discrete beam model, which is commonly recognized of relatively high accuracy
Thus it is suitable for the analyses of suspension subsystem and even complete vehicle
Keywords: leafspring; FEM; discrete beam; 3-link; dynamics model; modeling methods
所以有限元法一般不用于整车,而主要用于对钢板
弹簧本身的仿真计算,以及对其它建模方法的校核
和验证。
对钢板弹簧的正确建模长期以来一直都是动力
离散梁法的主要思想是利用多体系统动力学软
学仿真技术的一个难点,钢板弹簽模型质量的好坏,件里的离散体概念,建立钢板弹箦模型。将钢板弹
对整车的建模和仿真分析有着重要影响。建立钢簧分成多个小块,每一小块均视为一个刚体一一即
板弹簧模型一般有有限元法、离散梁法和SAE三连将一个构件离散成许多段刚性构件一一离散后的块
杆法3种方法。
与块之间采用无质量的柔性离散梁连接,梁单元
利用有限元法进行建模,是钢板弾簧设计计算的州度和阻尼矩阵由多体系统动力学软件根据钢板
中比较常用的分析手段。有限元法基本上无须做任弹簧的截面形状和材质自动计算得出。离散梁法是
何简化,完全按照各片的结构尺寸和材料特性进行建立钢板弹簧多体系统动力学模型公认的具有较高
建模,可模拟钢板弹簧变形运动学特性、力和位移的精度的方法。
刚度等特性。有限元法仿真精度较高,但模型复
SAE三连杆方法是对钢板弹簧运动特性复现的
杂、自由度太多、计算时间较长,如直接用于整车仿一种近似简化模型,它将钢板弹簧看成中间由U型
真分析,则会造成计算困难,难以得到理想的结果。螺栓固定的刚性体和两侧的简支梁构成,该方法
原稿收到日期为2011年12月26日,修改稿收到口期为2012年2月3日
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2013(Vu.35)No.7李凌阳,等:钢板弹簧建模方法研究
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建模简便、计算效率高,但其参数需要由事先确定的由小变大则其上表面受拉伸,簧片曲率半径由大变
钢板弹簧力学特性辦识得到
小则其上表面受压缩,即相邻两层簧片之间有相互
本文中将离散梁法分为分片模型法和主片简化作用力,钢板弹簧内部产生预应力。然后再用一对
法,同时针对传统的SAE三连杆建模方法提出一种U型螺栓将整副钢板弹簧总成固定安装在车桥上,
新的钢板弹簧三连杆扩展模型,从建模简便程度、模各簧片中部在U型螺栓作用下被压平,且没有相对
型自身精度和钢板弹簧模型对悬架和整车性能的影位移。在建模时,把各簧片在两个U型螺栓之间的
响等方面,对这5种建模方法进行研究和比较。
部分变平,在中间建出一个中心螺栓孔,然后将各簧
片在中心螺栓孔上的坐标相同节点耦合起来,以此
1钢板弹簧模型的建立
来模拟整副钢板弹簧的装配过程,即用中心螺栓和
一对U型螺栓进行夹紧的过程。因为簧片都是由売
以某轻型客车三片簧后悬架为研究对象,三片单元划分的网格,可将最上面一层簧片的中心垂向
钢板弹簧夹紧后的曲率半径基本相同,参数见表1。位移定义为0,将最下面一层簧片的中心定义成有
表1钢板弹簧基本参数
沿垂向向上的位移,位移的大小即是各簧片在自由
状态下间隙的总和。对于处于上下两层之间的各层
参数
第一片(主片)第二片第三片
簧片,施加宽度方向的约束,以及中心螺栓孔和U型
弧长/mm
1370
1368
1040
螺栓处的约束。放松各簧片的两端,使其能自由变
宽度/mm
形,模拟整副钢板弹簧的夹紧过程。由于中心螺栓
厚度/m
2
12
17
孔和U型螺栓处不是钢板弹簧的危险部位,所以这
U型螺栓间距/mn
100
种处理方式是合理的。钢板弹簧有限元模型见图
卷耳半径/mm
1,单元尺度10mm,60Si2Mn弹簧钢密度7.85g/cm
吊耳长度/mm
弹性模量206CPa、泊松比0.29。
簧片材料
60Si2Mn弹簧钢
总成垂向刚度/(Nmm)
188
1.1钢板弹笺有限元模型
钢板弹簧是典型的薄板构件,其结构特点为厚
度远小于长度和宽度方向的尺寸,可直接用壳单元
对每片钢板弹簧划分网格?,这种处理方法可大大
降低有限元模型的复杂程度,同时保证模型仍然具
(a)装配前各片钢板弹簧的自由状态
有较高的仿真精度。
钢板弹簧总成在装配之前,各片钢板都处于自
由状态。为了保证整副钢板弹总成在起作用时各
片具有近似