基于ANSYS WORKBENCH的钢板弹簧力学性能分析

摘 要：汽车钢板弹簧刚度和静负荷弧高是保证汽车行驶平顺性的重要性能指标，采用有限元分析软件模拟实验加载情况，得出板簧变形及应力情况，再与实际试验结果进行比较，为板簧的开发在设计阶段提供理论支持。

关键词：板簧；刚度；静负荷弧高；有限元分析

引言

汽车板簧是重要的高负荷安全部件。实际工作中，钢板弹簧同时存在大变形、预应力和各叶片间的接触等多种非线性响应。传统的设计计算方法，是基于材料力学线性梁理论，设计计算中进行了过多的简化，不能确切地反映其力学本质。板簧刚性试验可分为控制载荷和控制受压拱高两种方法。本文模拟的是控制载荷的刚性检测方法中的单点方式。

1.前处理

1.1.建立3D模型及材料定义 本文选用的某重型卡车所应用的少片簧式板簧，用UG建立3D模型，如图1所示，模型尽量简化，以后续分析时间，但是弹簧片两侧圆角不能简化掉，按矩形断面来计算惯性矩、断面系数和断面积，结果都偏大。[1] 弹簧材料为50CrVA，材料力学性能在此不再多述。

1.2.设置接触及网格划分 将3D模型转入ansys workbench，设置各簧片与垫片间设置接触，实际工作过程中，各簧片之间存在着复杂的接触和摩擦情况，且接触状态与簧片几何形状、载荷等多种因素有关，是非线性接触问题。[2]接触设置不合理，会导致计算产生不收敛，或者导致结果产生形变小，影响计算效果。本文将簧片与垫片之间设置为摩擦接触，擦因数设为0.3。由于模型并不复杂，网格采用自动划分即可，网格密度不用太密一面增大计算量。

1.3.施加约束和载荷 根据实际试验情况约束卷耳径向和轴向平动自由度，切线方向可自由移动，约束径向及切线方向的转动自由度，轴向可转动。

单点式试验方法：测定板簧自由弧高H0 ，从零开始连续均匀加载至给定载荷P，测定板簧弧高H1 ，继续加载至验证负荷，再卸载至给定载荷P，测定板簧弧高H2 ，则刚度

，其中H=（H1+H2）/2 。

所以在模拟施加载荷时需要施加三步载荷：

2.后处理及结果分析

2.1.静力分析 表2为三个载荷步下应变值。图3、图4分别为卸载后载荷P时变形及VON MISES等效应力分布情况，表2为三个载荷步下最大最小应变值。根据各子步下的垂直载荷及垂直位移，即可得到板簧的弹性特性曲线，经计算得出刚度为382N/mm。应力最大值出现在中间螺栓孔处，此处为应力集中处，也是板簧失效一个主要原因。除最大应力外，其他主要应力分布在骑马螺栓附近。

2.2.试验结果及比较 图5为试验情况下真实结果，给定载荷P下应变为87mm，由此计算得刚度为330N/mm。与模型模拟分析相比较，实际试验中应变要稍大于模拟分析结果，产生偏差原因一是弹簧片与垫片间接触设置不能完全反应加载时摩擦情况；二时试验时人工手动测量也可能存在误差。但两种结果相差不大，所以利用有限元软件所得结果可以在设计阶段作为理论依据，来预测板簧的力学性能。

3.结语

通过对板簧分布加载的静力分析与实际实验结果的分析比对，应用有限元分析能比较准确获得钢板弹簧的刚度值及应力分布情况，能够在设计阶段预测板簧力学性能，分析出可能出现失效的地方，为板簧的优化设计提供理论支持。

参考文献：

[1] 陈耀明.汽车变截面钢板弹簧的设计计算[OL]. 东风汽车工程研究院，2006

[2] 郑银环 张仲甫. ANSYS接触分析在钢板弹簧设计中的应用[J]，武汉理工大学学报，2009

[3] GBT 19844-2005 钢板弹簧[S].，中国标准出版社，2005