Solidworks汽車懸架彈簧有限元優化的研究

2013-06-26 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

基于Solidworks Simulation的汽車懸架彈簧有限元優化的研究

眾所周知,汽車懸架彈簧剪切成力高低值直接影響彈簧的結構設計、安裝方法、材料選擇以及加工工藝,而有限元仿真為汽車懸架彈簧的快速設計提供了準確高教的設計模式。

本文分析懸架彈簧在交替載荷作用下往復運動的有限元模式。懸架彈簧的壽命主要取決于彈簧鋼絲截面上的剪切應力,為了快速分析成型,因此,引入專業的有限元彈簧分析軟件,從而得到準確的、快速的設計、優化方案,為懸架設計提供更有力的依據。

1 汽車最槳彈簧有限元仿真的必要性

日前,能夠適應快速研發新車型的設計任務,其中之一就是有限元仿真與優化設計。從美國通用、克萊斯勒、福特,德國的大眾以及國內的福州、吉利、奇瑞等整機廠需要供應的懸架彈簧,在技術環節都必須有有限元仿真分析這一要求,那么針對這種仿真分析,由主機廠提出技術要求,彈簧生產研究單位通過CAE分析來滿足這一環節。采用有限元分析懸架彈簧不僅可以快速分析不同載荷、壓縮量、變形尺寸下的詳細剪切應力,而且可以快速準確的材料選擇,預測耐久疲勞。

2 兩種不同類型的懸架彈簧有限元分析

2.1 GPXX采用的有限元分析方發

按照要求增加載荷的分析。該方法的分析特點針對彈簧的上下端的類型進行直接加載處理,如果上下端的模型近乎平端,那么就將彈簧的斷頭按照110%的接觸面施加載荷,這樣測試出來的數據接近實驗測試數據。如圖1中的加載區域顯示。

圖1 懸架彈簧模型

實驗方法:

(1)載荷:載荷施加在原型端嘶的平頭。如果彈簧端頭為平面,則無需導程座,如果兩端不屬于平面端,則需要定制適合的導程座進行加載分析,端頭若為非平面端,增加導程座測量。如果為平面則不需要導程座,圖2為平面端,則不需導程座而直接加載載荷。

(2)夾具模式:上端約束為圓周固定,下端固定采用圓周約束與下端面固定約束雙約束機制。

圖2 懸架彈簧分析結果

(3)分折模式:采用靜態分析的方法。

(4)網格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的網格器劃分模式。

(5)采用光滑表面。

仿真結果:根據本懸架彈簧模型,可以明顯得知,該類型彈簧的最大應力帶均處于彈簧的兩側,并且都在上表面。其次可以采用點采集數據方式獲得最大應力。

2.2 HDXX類型彈簧采用的有限元分析方法

該系列彈簧上下端屬于非平面端,而且不能直接在彈簧端頭施加載荷,因此增加一個彈簧托盤模型,以便施加載荷在彈簧法向方向,分析結果如罔3、圖4所示。

圖3 剪切應力云圖

圖4 HDXX網格化和安全系數顯示

實驗方法:

(1)載荷:載荷施加在增加了模擬彈簧盤的上下端面。

(2)夾具模式:上端約束為圓周固定,下端固定采用圓周約束與下端面固定約束雙約束機制。

(3)分析模式:采用靜態分析的方法。

(4)網格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的網格器劃分模式。

(5)采用光滑表面。

仿真結果:

a.該模型可以快速探測不同點的最大剪切應力以及最大應力帶。

b.該模型增加了兩個仿安裝的托盤,為實際安裝應力提供了準確依據。

通過上述兩種方法,可以清楚的得出,懸架彈簧的最大應力帶分布在彈簧軸線的兩側,另外通過優化,最大應力點相對轉移,甚至到上限托盤區域,以致提高使用壽命。

3 采用有限元與實驗的驗證對比方法

通過不同類型的彈簧的有限元分析后,為了驗證該仿真的準確性,必須通過實驗驗證,對懸架彈簧的仿真結果進行實驗數據采集。圖5、圖6是實際采集實驗數據,通道分別是從磨平端到頂端,首通道1(CH1),末通道24(CH24)。數據采集所用軟件為7V應力測試機自帶軟件,所有數據全部采用四舍五入法省去小樹部分。7V系列實驗數據采集分析系統的分辨率為1με,測量范圍為±30000με,靈敏系數2.15,補償系數0。

圖5 HDXX懸架彈簧實驗模型

圖6 CAXX彈簧實驗模型

根據應力計算公式:

其中:m=2.15是靈敏系數;G=7.9×1010是切變模量;ε是應變量,第5次的測試時ε=6116με。最大應力處的應變在通道CH20(彈簧頂端第一二圈位置處),最大應力為:τmax=1038.8MPa。

結果對比,通過有限元分析HDXX模型的最大應力在上側第2圈,剪切應力為1046MPa,而實驗測得結果為1038.8MPa,這個結果非常接近,圖6的懸架彈簧實驗和分析最終結果也是一致。由此可知有限元分析和實驗驗證的一致性。

4 結論

通過有限元仿真優化模型分析,給出了不同類型的懸架的有限元仿真方法,為汽車懸架彈簧CAE分析與開發提供快速高效的工作依據。

本文得出以下結論:

(1)汽車懸架彈簧是應力帶分布在彈簧軸線對稱的兩側。

(2)懸架彈簧的最大應力可以通過模型優化,進行最大應力的轉移,從而提供彈簧的疲勞壽命。

(3)本文首次采用Solidworks Simulation為懸架彈簧領域開辟了快速通道。

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