汽车钢板弹簧计算模型研究

钢板弹簧是汽车的一个重要组成部分,合理地确定钢板弹簧的性能、结构参数是整车设计水平的关键因素之一,这对提高其使用寿命及提高汽车行驶的平顺性和安全性都具有重要意义。由于钢板弹簧存在几何非线性和接触非线性等多种非线性因素,因而增加了其精益设计的难度。现代接触动力学理论和CAE技术的发展为解决这类问题提供了有力的工具。 论文研究了传统的钢板弹簧计算方法,系统地对钢板弹簧的几种计算模型进行分析比较,介绍了集中载荷法、共同曲率法、综合法和有限单元法的基本假设、计算方法及其公式;介绍了现代设计方法——CAE技术的基本含义及应用情况。 建立了多片等截面式钢板弹簧、少片变截面钢板弹簧、渐变刚度钢板弹簧、主副簧复合式钢板弹簧的优化设计数学模型,编程对几种钢板弹簧进行优化计算,在满足强度条件和刚度条件的要求下,实现了板簧的轻量化设计,提高了设计计算效率。 研究了现代接触动力学理论的基本分析方法,利用结构非线性有限元方法,考虑板簧工作过程中的大变形、各片之间的接触和摩擦等多种非线性因素,应用ANSYS建立了某前钢板弹簧的有限元模型,分析计算了板簧的应力分布和刚度;通过考虑簧片间的接触摩擦情况,钢板弹簧计算模型的精度得到了提高。提出了应用APDL设计语言实现对钢板弹簧的精益设计的方法,以单片变截面钢板弹簧为例,将ANSYS优化设计功能应用到钢板弹簧上,优化结果表明利用ANSYS优化设计钢板弹簧的方法是可行的。 根据现代接触动力学理论,提出了采用非线性有限元方法和多体系统动力学方法相结合的方法分析钢板弹簧;考虑片间接触和摩擦情况,利用ANSYS和ADAMS软件建立钢板弹簧的多柔体模型,并进行其动特性仿真。 进行钢板弹簧的台架试验研究,对某前簧进行了弹簧特性试验和台架疲劳试验,确定其弹性变形量和刚度值,检测了该板簧的疲劳寿命;并将试验结果和有限元计算结果进行比较,两者很吻合,从而验证了本文所建立的钢板弹簧有限元分析模型的正确性。