Solidworks汽車懸架彈簧有限元優(yōu)化的研究

2013-06-26 by:廣州Solidworks培訓(xùn)中心來源:仿真在線

基于Solidworks Simulation的汽車懸架彈簧有限元優(yōu)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確高教的設(shè)計(jì)模式。

本文分析懸架彈簧在交替載荷作用下往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(yīng)力,為了快速分析成型,因此,引入專業(yè)的有限元彈簧分析軟件,從而得到準(zhǔn)確的、快速的設(shè)計(jì)、優(yōu)化方案,為懸架設(shè)計(jì)提供更有力的依據(jù)。

1 汽車最槳彈簧有限元仿真的必要性

日前,能夠適應(yīng)快速研發(fā)新車型的設(shè)計(jì)任務(wù),其中之一就是有限元仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)。從美國通用、克萊斯勒、福特,德國的大眾以及國內(nèi)的福州、吉利、奇瑞等整機(jī)廠需要供應(yīng)的懸架彈簧,在技術(shù)環(huán)節(jié)都必須有有限元仿真分析這一要求,那么針對(duì)這種仿真分析,由主機(jī)廠提出技術(shù)要求,彈簧生產(chǎn)研究單位通過CAE分析來滿足這一環(huán)節(jié)。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(xì)剪切應(yīng)力,而且可以快速準(zhǔn)確的材料選擇,預(yù)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(fā)

按照要求增加載荷的分析。該方法的分析特點(diǎn)針對(duì)彈簧的上下端的類型進(jìn)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(shù)據(jù)接近實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)。如圖1中的加載區(qū)域顯示。

圖1 懸架彈簧模型

實(shí)驗(yàn)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(dǎo)程座,如果兩端不屬于平面端,則需要定制適合的導(dǎo)程座進(jìn)行加載分析,端頭若為非平面端,增加導(dǎo)程座測量。如果為平面則不需要導(dǎo)程座,圖2為平面端,則不需導(dǎo)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(jī)制。

圖2 懸架彈簧分析結(jié)果

(3)分折模式:采用靜態(tài)分析的方法。

(4)網(wǎng)格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的網(wǎng)格器劃分模式。

(5)采用光滑表面。

仿真結(jié)果:根據(jù)本懸架彈簧模型,可以明顯得知,該類型彈簧的最大應(yīng)力帶均處于彈簧的兩側(cè),并且都在上表面。其次可以采用點(diǎn)采集數(shù)據(jù)方式獲得最大應(yīng)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(gè)彈簧托盤模型,以便施加載荷在彈簧法向方向,分析結(jié)果如罔3、圖4所示。

圖3 剪切應(yīng)力云圖

圖4 HDXX網(wǎng)格化和安全系數(shù)顯示

實(shí)驗(yàn)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(jī)制。

(3)分析模式:采用靜態(tài)分析的方法。

(4)網(wǎng)格精度采用高雅克比算法以及基于曲率的網(wǎng)格器劃分模式。

(5)采用光滑表面。

仿真結(jié)果:

a.該模型可以快速探測不同點(diǎn)的最大剪切應(yīng)力以及最大應(yīng)力帶。

b.該模型增加了兩個(gè)仿安裝的托盤,為實(shí)際安裝應(yīng)力提供了準(zhǔn)確依據(jù)。

通過上述兩種方法,可以清楚的得出,懸架彈簧的最大應(yīng)力帶分布在彈簧軸線的兩側(cè),另外通過優(yōu)化,最大應(yīng)力點(diǎn)相對(duì)轉(zhuǎn)移,甚至到上限托盤區(qū)域,以致提高使用壽命。

3 采用有限元與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證對(duì)比方法

通過不同類型的彈簧的有限元分析后,為了驗(yàn)證該仿真的準(zhǔn)確性,必須通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,對(duì)懸架彈簧的仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。圖5、圖6是實(shí)際采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通道分別是從磨平端到頂端,首通道1(CH1),末通道24(CH24)。數(shù)據(jù)采集所用軟件為7V應(yīng)力測試機(jī)自帶軟件,所有數(shù)據(jù)全部采用四舍五入法省去小樹部分。7V系列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)的分辨率為1με,測量范圍為±30000με,靈敏系數(shù)2.15,補(bǔ)償系數(shù)0。

圖5 HDXX懸架彈簧實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

圖6 CAXX彈簧實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?

根據(jù)應(yīng)力計(jì)算公式:

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

結(jié)果對(duì)比,通過有限元分析HDXX模型的最大應(yīng)力在上側(cè)第2圈,剪切應(yīng)力為1046MPa,而實(shí)驗(yàn)測得結(jié)果為1038.8MPa,這個(gè)結(jié)果非常接近,圖6的懸架彈簧實(shí)驗(yàn)和分析最終結(jié)果也是一致。由此可知有限元分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的一致性。

4 結(jié)論

通過有限元仿真優(yōu)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(fā)提供快速高效的工作依據(jù)。

本文得出以下結(jié)論:

(1)汽車懸架彈簧是應(yīng)力帶分布在彈簧軸線對(duì)稱的兩側(cè)。

(2)懸架彈簧的最大應(yīng)力可以通過模型優(yōu)化,進(jìn)行最大應(yīng)力的轉(zhuǎn)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(lǐng)域開辟了快速通道。

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