钢板弹簧的非线性接触有限元分析(附件)【字数：11720】
摘 要在汽车非独立悬挂装置中，有一种十分常见的弹性元件，那就是钢板弹簧。它们的存在是为了在车轮和车身之间传递力合力矩。有了钢板弹簧，就可以保证车辆的行驶平顺性。因为路面不平，而传递给车身的冲击载荷，都会被钢板弹簧所吸收，从而起到减少由于冲击载荷而导致的振动。板簧结构简单、制造费用低，且便于维修，所以它们被广泛的使用。同时，钢板弹簧还能在悬挂系统中起导向作用，这更增加了它们被使用的广泛度。 根据钢板弹簧各簧片的三维尺寸，曲率半径等参数，利用Solidworks建立其三维模型，然后将各簧片进行虚拟装配。将装配后的钢板弹簧三维几何模型导入ANSYS软件进行单元划分，在各簧片发生接触的区域建立接触单元，完成整个钢板弹簧的有限元模型。对钢板弹簧施加不同的载荷及约束，分别模拟其装配过程、正常工作过程及特殊工况时的应力变化情况，以及摩擦系数对钢板弹簧性能的影响。利用理论公式计算钢板弹簧的刚度值，并与仿真刚度值进行比对。本文通过有限元法对多片钢板弹簧进行分析计算，这样可以在产品投入使用前及时发现问题，进而修改设计参数或设计方案。利用有限元法能缩短产品的开发周期，提高工作效率，降低产品的开发成本。
目 录
第一章 绪论 1
1.1钢板弹簧简介 1
1.2钢板弹簧的发展概况及研究现状 1
1.3本课题研究的内容和意义 2
第二章 悬架结构形式的选择 3
2.1悬架概述 3
2.2悬架的结构形式及选择 3
2.2.1独立悬架 3
2.2.2非独立悬架 3
2.3小结 4
第三章 钢板弹簧的设计 5
3.1结构设计分析 5
3.1.1钢板弹簧的布置 5
3.1.2钢板弹簧的种类 5
3.1.3钢板弹簧断面形状 7
3.1.4钢板弹簧叶片端部的形状 8
3.1.5弹簧卷耳 9
3.1.6弹簧包耳 10
3.1.7钢板弹簧中心螺栓 10
3.1.8弹簧夹箍 11
3.2钢板弹簧设计的已知参数 11
3.2.1钢板弹簧计算的初始条件 11
3.2.2满载弧高 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
12
3.2.3钢板弹簧长度的确定 12
3.2.4钢板断面尺寸及片数的确定 12
3.3弹簧钢板个片长度的确定 13
3.4钢板弹簧刚度验算 14
3.5钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 14
3.5.1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 14
3.5.2钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 14
3.6钢板弹簧总成弧高的核算 15
3.7钢板弹簧的强度验算 16
3.7.1后钢板弹簧应力分析 16
3.8小结 16
第四章 基于ANSYS的钢板弹簧的有限元分析 18
4.1钢板弹簧三维模型的建立 18
4.1.1 Solidworks三维建模简介 18
4.1.2钢板弹簧三维模型的建立 18
4.2钢板弹簧有限元模型的建立 18
4.2.1有限元分析概述 18
4.2.2ANSYS概述 19
4.2.3钢板弹簧有限元模型的建立 19
4.2.4多片钢板弹簧的接触定义 20
4.3钢板弹簧的计算结果分析 20
4.3.1钢板弹簧的装配过程分析 20
4.3.2钢板弹簧满载应力分析 23
4.4小结 24
结束语 25
致 谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1钢板弹簧简介
钢板弹簧在整个非独立悬架系统中发挥着非常关键的作用，它对车辆性能有着较大的影响。一般可以将其归纳为三个方面：
(1)缓和冲击，汽车在行驶过程中不可避免的会产生冲击载荷，例如道路的不平顺、车辆的急加速急减速等情况。而这些作用力往往是带有冲击效果的，尤其是在道路状况不好的坏路面上高速行驶的时候，将产生非常大的冲击载荷，很可能会引起某些机构或构件的损坏。并且这时候驾乘人员也感到非常的不舒服，另外也容易使货物受损。为了能够减缓冲击载荷产生的作用，不仅要使用弹性轮胎，而且通常在悬架系统中还须加装弹性元件，以达到缓冲的作用。
(2)导向作用，车轮在受到冲击载荷发生跳动过程中，车轮运动轨迹一定要达到特定要求，不然就会对车辆操纵稳定性、平顺性及燃油经济性产生不利影响，一般情况下，都会在车辆上纵向位置安装钢板弹簧，同时将其一端卷耳与车架作固定铰接，这样就可以承受横向力的作用。因此钢板弹簧能限制车轮的运动轨迹，而无需额外安装导向机构或者稳定装置。
(3)减振作用，当车身受到冲击载荷以后便一直处于振动状态，而持续的振动会对车辆造成许多不利的影响，故悬架系统中常需加装减震器，使振动逐步衰减。而钢板弹簧是由多个簧片叠放在一起的，各簧片间存在摩擦作用，且这种摩擦作用可以衰减持续的振动。
因此钢板弹簧本身具有一定的减振能力，在一些减振要求不高的汽车上，为了满足某些构件的布置可以不装减振器。
(4)承载作用，悬架系统承担着车身及其所承载的重量，而且可以把作用在车轮上的各种力传递到车身上。钢板弹簧的承载能力强，在汽车悬架、拖拉机悬架以及铁道车辆的悬架系统中会经常用到。
1.2钢板弹簧的发展概况及研究现状
从早期的汽车到现代汽车，钢板弹簧在悬架系统中一直承担着重要的角色，它不仅起到弹性元件的作用，而且同时担当导向及减震的作用。钢板弹簧本身具有的横向及纵向刚度不仅能够传递车轮与车身间的一切力和力矩，而且各簧片间存在的摩擦力还可以衰减车身受到的持续振动。另外钢板弹簧整体结构比较简单，加工制造方便。所以直到现代的汽车上，钢板弹簧一直广泛的应用在某些轿车、客车及其它各种车辆的非独立悬架系统中。从上个世纪五十年代开始的一段时间，公路运输成为主流，此时车辆的安全性得到广泛的关注，钢板弹簧的可靠性也得到了世界各国的广泛关注。主要提出了以下几种设计分析方法。
（1）共同曲率法。
共同曲率法主要用于钢板弹簧的应力分析及刚度验算。它的基本思想是，假定钢板弹簧在承受任何载荷的情况下，各簧片的变形都有相同的曲率，于是模型就可以简化为梯形弹簧模型进行计算。这个方法最突出的特点是其计算相对简便，由于不用考虑各簧片间存在的接触及摩擦因素的影响。因此利用材料力学的相关知识就可以求解钢板弹簧的应力及刚度问题。
（2）集中载荷法。
集中载荷法是计算钢板弹簧应力和刚度的另一种比较典型的方法，集中载荷法所做的假设与钢板弹簧在实际工作中端部出现较严重的磨损相符合。但是这种方法有很多缺点，例如计算过程比较繁琐，求解精度也不高，且只有在片端加装隔离垫时才与实际相吻合。因此，有专家就对集中载荷法做了一些改进。改进后的方法假定簧片间存在有多个确定的接触点，每个接触点作用有集中力根据钢板弹簧的变形协调原理，推出对应的计算方程。求得各接触点的位置及其作用力的大小，进而求出各簧片的应力大小、挠度值等。通过对比改进后的集中载荷法计算结果和钢板弹簧的实验结果，得出改进的集中载荷法计算结果与实验结果更接近，计算精度更高。因此可以直接利用此方法对钢板弹簧进行设计计算。但由于这种方法是在集中载荷法的原理上演变来的，集中载荷法只有一个传力点而改进的集中载荷法却有多个传力点。因此应用此方法求解钢板弹簧的应力及刚度就更加繁琐。
目 录
第一章 绪论 1
1.1钢板弹簧简介 1
1.2钢板弹簧的发展概况及研究现状 1
1.3本课题研究的内容和意义 2
第二章 悬架结构形式的选择 3
2.1悬架概述 3
2.2悬架的结构形式及选择 3
2.2.1独立悬架 3
2.2.2非独立悬架 3
2.3小结 4
第三章 钢板弹簧的设计 5
3.1结构设计分析 5
3.1.1钢板弹簧的布置 5
3.1.2钢板弹簧的种类 5
3.1.3钢板弹簧断面形状 7
3.1.4钢板弹簧叶片端部的形状 8
3.1.5弹簧卷耳 9
3.1.6弹簧包耳 10
3.1.7钢板弹簧中心螺栓 10
3.1.8弹簧夹箍 11
3.2钢板弹簧设计的已知参数 11
3.2.1钢板弹簧计算的初始条件 11
3.2.2满载弧高 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
12
3.2.3钢板弹簧长度的确定 12
3.2.4钢板断面尺寸及片数的确定 12
3.3弹簧钢板个片长度的确定 13
3.4钢板弹簧刚度验算 14
3.5钢板弹簧总成在自由状态下的弧高及曲率半径计算 14
3.5.1钢板弹簧总成在自由状态下的弧高 14
3.5.2钢板弹簧各片自由状态下曲率半径的确定 14
3.6钢板弹簧总成弧高的核算 15
3.7钢板弹簧的强度验算 16
3.7.1后钢板弹簧应力分析 16
3.8小结 16
第四章 基于ANSYS的钢板弹簧的有限元分析 18
4.1钢板弹簧三维模型的建立 18
4.1.1 Solidworks三维建模简介 18
4.1.2钢板弹簧三维模型的建立 18
4.2钢板弹簧有限元模型的建立 18
4.2.1有限元分析概述 18
4.2.2ANSYS概述 19
4.2.3钢板弹簧有限元模型的建立 19
4.2.4多片钢板弹簧的接触定义 20
4.3钢板弹簧的计算结果分析 20
4.3.1钢板弹簧的装配过程分析 20
4.3.2钢板弹簧满载应力分析 23
4.4小结 24
结束语 25
致 谢 26
参考文献 27
第一章 绪论
1.1钢板弹簧简介
钢板弹簧在整个非独立悬架系统中发挥着非常关键的作用，它对车辆性能有着较大的影响。一般可以将其归纳为三个方面：
(1)缓和冲击，汽车在行驶过程中不可避免的会产生冲击载荷，例如道路的不平顺、车辆的急加速急减速等情况。而这些作用力往往是带有冲击效果的，尤其是在道路状况不好的坏路面上高速行驶的时候，将产生非常大的冲击载荷，很可能会引起某些机构或构件的损坏。并且这时候驾乘人员也感到非常的不舒服，另外也容易使货物受损。为了能够减缓冲击载荷产生的作用，不仅要使用弹性轮胎，而且通常在悬架系统中还须加装弹性元件，以达到缓冲的作用。
(2)导向作用，车轮在受到冲击载荷发生跳动过程中，车轮运动轨迹一定要达到特定要求，不然就会对车辆操纵稳定性、平顺性及燃油经济性产生不利影响，一般情况下，都会在车辆上纵向位置安装钢板弹簧，同时将其一端卷耳与车架作固定铰接，这样就可以承受横向力的作用。因此钢板弹簧能限制车轮的运动轨迹，而无需额外安装导向机构或者稳定装置。
(3)减振作用，当车身受到冲击载荷以后便一直处于振动状态，而持续的振动会对车辆造成许多不利的影响，故悬架系统中常需加装减震器，使振动逐步衰减。而钢板弹簧是由多个簧片叠放在一起的，各簧片间存在摩擦作用，且这种摩擦作用可以衰减持续的振动。
因此钢板弹簧本身具有一定的减振能力，在一些减振要求不高的汽车上，为了满足某些构件的布置可以不装减振器。
(4)承载作用，悬架系统承担着车身及其所承载的重量，而且可以把作用在车轮上的各种力传递到车身上。钢板弹簧的承载能力强，在汽车悬架、拖拉机悬架以及铁道车辆的悬架系统中会经常用到。
1.2钢板弹簧的发展概况及研究现状
从早期的汽车到现代汽车，钢板弹簧在悬架系统中一直承担着重要的角色，它不仅起到弹性元件的作用，而且同时担当导向及减震的作用。钢板弹簧本身具有的横向及纵向刚度不仅能够传递车轮与车身间的一切力和力矩，而且各簧片间存在的摩擦力还可以衰减车身受到的持续振动。另外钢板弹簧整体结构比较简单，加工制造方便。所以直到现代的汽车上，钢板弹簧一直广泛的应用在某些轿车、客车及其它各种车辆的非独立悬架系统中。从上个世纪五十年代开始的一段时间，公路运输成为主流，此时车辆的安全性得到广泛的关注，钢板弹簧的可靠性也得到了世界各国的广泛关注。主要提出了以下几种设计分析方法。
（1）共同曲率法。
共同曲率法主要用于钢板弹簧的应力分析及刚度验算。它的基本思想是，假定钢板弹簧在承受任何载荷的情况下，各簧片的变形都有相同的曲率，于是模型就可以简化为梯形弹簧模型进行计算。这个方法最突出的特点是其计算相对简便，由于不用考虑各簧片间存在的接触及摩擦因素的影响。因此利用材料力学的相关知识就可以求解钢板弹簧的应力及刚度问题。
（2）集中载荷法。
集中载荷法是计算钢板弹簧应力和刚度的另一种比较典型的方法，集中载荷法所做的假设与钢板弹簧在实际工作中端部出现较严重的磨损相符合。但是这种方法有很多缺点，例如计算过程比较繁琐，求解精度也不高，且只有在片端加装隔离垫时才与实际相吻合。因此，有专家就对集中载荷法做了一些改进。改进后的方法假定簧片间存在有多个确定的接触点，每个接触点作用有集中力根据钢板弹簧的变形协调原理，推出对应的计算方程。求得各接触点的位置及其作用力的大小，进而求出各簧片的应力大小、挠度值等。通过对比改进后的集中载荷法计算结果和钢板弹簧的实验结果，得出改进的集中载荷法计算结果与实验结果更接近，计算精度更高。因此可以直接利用此方法对钢板弹簧进行设计计算。但由于这种方法是在集中载荷法的原理上演变来的，集中载荷法只有一个传力点而改进的集中载荷法却有多个传力点。因此应用此方法求解钢板弹簧的应力及刚度就更加繁琐。
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