基于ABAQUS的某农用车不等臂钢板弹簧有限元显式动力分析

洪 昊，王孝鹏，吴 龙，2

(1.三明学院机电工程学院，福建三明365004;2.三明机械CAD工程研究中心，福建 三明365004)

0 引言

钢板弹簧是在汽车非独立悬架中应用中最为广泛的一种弹性组建，它由若干片长度不等、曲率半径不同、厚度相等或者不等弹簧钢片叠合再一起，组成一根近似等强度的弹性梁[1]。在车架加载弹簧变形时，簧片之间产生相对滑动进而产生摩擦，此时钢板弹簧本身具有一定的减震作用。钢板弹簧本身还兼起导向作用，可以不必设置导向装置，使悬架结构简化，因此在重型卡车及农用运输等车辆上广泛应用。宇辰农林机械生产的QS-3BY-9C1型号爬山虎采用的是前后桥钢板弹簧支撑，在使用过程中，满载受瞬时冲击后，前桥板簧可能与其下面的转向横拉杆发生撞击，导致转向失灵，前桥如图1所示。因此借助ABAQUS有限元软件对前板簧进行显式瞬时动力学分析，验证钢板弹簧的最大应变及应力特性。

1 板簧有限元模型[2-5]

1.1 有限元网格划分

在对板簧进行网格划分时，对每片板簧的细小特征进行简化，忽略其他零部件，只单独对簧片进行网格划分，网格划分采用六面体结构化与自由扫略网格划分。单元类型为C3D8R，共有119598个单元。

1.2 模型的材料及接触特性

图1 爬山虎前桥

图2 板簧几何模型

板簧的材料是60Si2Mn，弹性模型为2.06×105MPa?，泊松比为 0.29，密度为 7.74×10-9tonne/mm3，抗拉强度为 1270 MPa。在板簧之间施加接触属性，主从面分别选取相互接触簧面的外侧与内侧，共11个接触对，簧片之间的摩擦系数为0.15。

1.3 载荷与边界条件处理

图3 板簧有限元模型

板簧在工作时，在第一片板簧两端卷耳中心建立参考点，然后在参考点与卷耳内面施加MPC多点约束，模拟连杆销与卷耳的连接。约束钢板弹簧一端参考点123方向自由度，约束另一端参考点13方向自由度。在每一片板簧的螺栓中心孔建立一个参考点，在参考点与中心孔内面建立分布约束，最后把12个参考点刚性连接，来模拟板簧中心螺栓对钢板弹簧的预紧力。

2 仿真分析

在分析步模块中，定义单一的一个显式动力分析步，分析步的总时间为2秒，经计算得到板簧的应力及位移特性，如图4、5所示。从应力图中可以看到，板簧的最大应力为2413MPa，大于抗拉强度1270MPa，有发生断裂的危险;其中最大位移变形为61mm，小于板簧与转向横拉杆之间的距离84mm，在使用过程中不会发生撞击。分别显示每片板簧的应力如图6所示，副簧所受最大应力为1573MPa，位于板簧中心螺孔的两侧，大于抗拉强度1270MPa，有发生断裂的危险;主簧第四片所受最大应力为1118MPa，应力主要集中在板簧中心螺孔的左侧，右侧所受的应力范围较小。主簧第三片所受最大应力为2413MPa，大于抗拉强度1270MPa，应力主要集中在板簧中心螺孔边缘上的节点上，有发生断裂的危险。主簧第二片与主簧所受的最大应力分别为858MPa与843MPa，应力主要集中在板簧中心螺孔两侧且分布范围较广。

图4 板簧应力云图

图5 板簧应变云图

图6 副簧应力云图

图7 主簧第四片应力云图

图8 主簧第三片应力云图

图9 主簧第二片应力云图

3 结论

本文采用ABAQUS软件建立爬山虎前桥不等臂钢板弹簧模型并对其进行显示动力分析，分析结果表明:板簧的整体位移特性为61mm，小于板簧与转向横拉杆之间的距离84mm，在使用过程中不会发生撞击;板簧所受的应力较大，副簧与主簧第四片所受应力大于抗拉强度，有发生断裂的危险。

[1]关文达.汽车构造:第2版[M].北京:机械工业出版社，2004:329.

[2]杨曼云，张岩晖，张中华，等.有限元分析技术在车用少片变截面钢板弹簧研发中的应用[J].机电产品开发与创新，2013，26(1).

[3]于济业，孟婕，吴元东，等.汽车钢板弹簧悬架的有限元分析与试验研究[J].农业装备与车辆工程，2007(11).

[4]周水庭，黄红武，付建朝，等.基于接触摩擦的变截面钢板弹簧悬架性能分析[J].湖南大学学报:自然科学版，2013，40(5).

[5]胡玉梅，邓兆祥，王欣，等.汽车后悬架的非线性有限元分析[J].重庆大学学报:自然科学版，2003，26(4).