汽車減震器彈簧盤疲勞仿真分析

2016-11-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

汽車構件中減震器彈簧盤易受疲勞破壞,影響汽車的使用,而對其展開整車試驗并不合理。
本文基于有限元疲勞分析的方法建立減震器彈簧盤的力學有限元模型,在Workbench 平臺下進行應力及疲

勞仿真分析,在修正理論下對彈簧盤的薄弱之處做出新的優(yōu)化設計,最后的疲勞壽命預測證明了此優(yōu)化結構的切實有效性。

在設計汽車構件時,一般不僅僅考慮其能承受的極限拉伸強度,因為,在汽車行駛的使用過程中,各種交變荷載并存,對汽車構件反復作用,即使交變荷載遠低于極限強度,在這種交變反復的作用下,構件有可能出現(xiàn)裂紋、拉伸甚至破壞斷裂,這就是經(jīng)常所說的疲勞破壞。而彈簧盤在車輛減震器結構中是起支撐彈簧的作用,必然因擠壓受到較大的交變荷載。其作為減震器中重要的零件之一,疲勞破壞的可能性大大增加,可靠耐久性直接關系到汽車行駛的穩(wěn)定性與安全性。對車輛減震器研制與測試中,需要大量的構件實驗和整車耐久試驗,不僅消耗大量的財力物力人力,而且時間又長,所以需通過疲勞分析,提前分析結構薄弱環(huán)節(jié),來減少疲勞試驗。本文通過建立彈簧盤力學模型,在Workbench 軟件的協(xié)同仿真環(huán)境下,運用有限元方法分析不同交變荷載狀態(tài)下彈簧盤疲勞強度,并對其疲勞壽命進行預測實驗,試做出結構優(yōu)化設計。

根據(jù)荷載類型的不同,可以把疲勞分析大致分為靜態(tài)疲勞分析、動態(tài)疲勞分析以及瞬間疲勞分析。通常當結構的一階固有頻率大于3 倍荷載頻率時,就可采用靜態(tài)疲勞分析方法;如果荷載頻率和原有構件的固有頻率相接近時則采用動態(tài)疲勞分析方法;瞬間疲勞分析方法針對于隨機荷載作用下的構件疲勞分析。而在靜態(tài)疲勞分析中又可細分包含準靜態(tài)疲勞分析,本文通過有限元的理論分析建立彈簧盤的有限元模型,驗證此分析方法。

2.1 建立有限元模型

在分析之前,需要建立構件分析的模型,創(chuàng)建彈簧盤有限元模型一般有兩種方法,一種是直接在文中提到的ANSYS-Workbench 環(huán)境下創(chuàng)建有限元模型,這種方法主要適用建立一些簡單的模型。另外一種方法是對與彈簧盤等復雜結構類似的復雜構件從CAD模型讀入,利用CAD 軟件三維取圖建模,并保存為.x_t 格式然后導入到Workbench 平臺進行構件分析。定義彈簧盤屬性時材料為冷軋鋼板2.0GB/T708-88,其彈性模量E 為210Gpa,泊松比0.3,屈服極限和強度極限分別是221Mpa 和300Mpa。當把三維模型

導入Workbench 平臺后,需進行一個重要環(huán)節(jié)—網(wǎng)格劃分,劃分越細結果越精確?？梢岳肳orkbench平臺默認值劃分。

2.2 準靜態(tài)有限元疲勞分析

此種疲勞分析方法適用于牽動荷載頻率遠低于所受力分析構件的自然固有頻率之下。這時應力狀態(tài)可以由通過疊加多個不同靜態(tài)荷載的方式來模擬完成。此時,需要定義一組完善的靜態(tài)荷載,然后實測或分析得到與其對應的荷載譜,按下面式子對彈性應力應變進行計算:

由上述文中建立有限元模型并進行計算,選擇Goodman 理論進行平均應力修正,再結合疲勞壽命圖和等效應力云圖,可知疲勞損傷以及應力集中區(qū)在凸包處。由分析知需對彈簧盤的結構進行優(yōu)化。首先,我們通過增加彈簧盤的厚度來提高鋼板強度。其次,由結果知需降低凸包區(qū)域的水平應力大小,所以結構上應該有所改變。我們試著將凸包區(qū)域面積擴大,讓其各部接觸面落差變小使得過渡區(qū)域更為圓滑,這樣可以減少應力集中的現(xiàn)象。在Workbench 環(huán)境下仿真分析結果顯示設計滿足要求。

優(yōu)化后,為進一步確認新結構結果的正確性,需做比較試驗。此實驗所用設備為電液伺候動靜萬能試驗機,每組試樣4 個,各豎向加載為620 到6200N,。加載的頻率2HZ,調試試驗當加載達到6200N 時疲勞壽命可達到預期目標130000 次。分別做了幾組疲勞測試,先前的彈簧盤疲勞壽命分別為11.5 萬次10.2 萬次12.8 萬次和11.7 萬次,而優(yōu)化結構后的彈簧盤疲勞壽命分別為18.9 萬次19.8 萬次18.2 萬次以及17.5 萬次。結果表明,先前彈簧盤疲勞值較低,由此可知疲勞損傷集中于凸包區(qū)域并且厚度有待增加,據(jù)此做出的優(yōu)化結構滿足強度設計要求,更不易發(fā)生疲勞損傷。

本文在Workbench 基礎上通過有限元建模對汽車減震器進行仿真分析,通過強度和疲勞壽命分析確定彈簧盤的結構不足所在,提出結構優(yōu)化改進方案,并驗證其正確性。望對結構設計的改進、減少實驗費用等有所意義。

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