减振器弹簧阀片的力学建模及CAE仿真分析

高发华，罗明军

(奇瑞商用车(安徽)有限公司工程研究院，安徽芜湖 241006)

减振器弹簧阀片的力学建模及CAE仿真分析

高发华，罗明军

(奇瑞商用车(安徽)有限公司工程研究院，安徽芜湖 241006)

针对用传统材料力学分析难以精确获得减振器工作状态下伸张阀和压缩阀弹簧阀片组的应力和应变值的难题，采用有限元法对其工作状态下的压力分布进行研究。根据减振器工作状态下弹簧阀片组的内部受力关系，基于有限元软件ANSYS，通过创建弹簧阀片之间的接触对来模拟弹簧阀片之间的约束关系。为准确分析阀片组的受力关系，建立了伸张阀和压缩阀的力学模型，并结合减振器工作特性曲线定义伸张阀和压缩阀的载荷。通过对伸张阀和压缩阀的强度和刚度进行分析，得到了工作状态下减振器伸张阀和压缩阀的应力、应变分布云图，为后续优化设计提供依据。

减振器；伸张阀；压缩阀；力学模型；有限元分析

0 引言

对于汽车减振器的研究，以前对减振器阀片的分析都是利用材料力学的公式推算，把减振器的阀片简化，从而推算出减振器阀片的挠度公式[1]。这种方法因为简化了阀片，对于形状稍微复杂的减振器阀片就不再适用[2]。而随着有限元分析的兴起，利用计算机对减振器的阀片进行CAE分析可以得到更精确的减振器阀片的应力和应变情况[3]。在某汽车前减振器中，伸张阀由3片阀片和1个垫片组成的，而压缩阀由3片阀片组成，所以只是利用材料力学的公式推导其挠度公式是难以实现的，而利用有限元软件分析其应力和应变分布情况则可以实现[4-6]。作者拟运用商业通用有限元软件ANSYS对某汽车前减振器的伸张阀和压缩阀的应力和应变进行分析，考察阀片强度和刚度性能。

1 弹簧阀片实体模型的建立

该汽车前减振器产品的活塞连杆组件中包括的阀门有流通阀和伸张阀，各个阀片的三维实体都是较规则的圆形片体，其中伸张阀由3个阀片和1个垫片组成[7-9]。该前减振器产品的底阀组件包括：底阀座、补偿阀限位、补偿阀弹簧、补偿阀阀片、压缩阀底座、压缩阀片(3片)、销。其中伸张阀和压缩阀是减振器组件中关键的部件，是影响减振器性能的主要因素。

伸张阀和压缩阀在使用过程中属于大挠度变形问题，主要是径向方向的弯曲变形。为了更加准确地研究伸张阀和压缩阀在工作过程中的变形问题，基于UG软件建立了汽车减振器弹簧阀片的实体模型，分别如图1和图2所示。

图1 伸张阀

图2 压缩阀

2 弹簧阀片的有限元分析

2.1 模型的导入

首先将实体模型以*.stp格式保存，然后通过UG和有限元分析软件ANSYS的接口将模型导入有限元分析环境中。模型在接口转换过程中不会出现数据丢失导致模型失真现象，这是有限元分析高精度得到保障的前提。

2.2 定义属性

在建立减振器的伸张阀和压缩阀有限元模型之前，先对分析软件ANSYS参数进行设置，包括分析类型、材料属性等。分析类型为结构分析。材料均为线性材料[11]，具体如表1所示。

表1 弹簧阀片材料参数表

2.3 网格划分

对于减振器的弹簧阀片而言，它属于薄板元件。在采用ANSYS软件实现网格划分时将阀片定义为壳单元,故采用SOLID45单元对弹簧阀片进行网格划分。最终减振器弹簧阀片的伸张阀和压缩阀有限元模型分别离散为12 500和12 722个

节点，51 531和52 838个单元。

2.4 边界条件的施加

(1)接触对的创建

由于压缩阀和伸张阀都不是由单个阀片组成，是由多个阀片组成的，所以在分析过程中需考虑它们之间的约束关系。为能够准确模拟阀片之间的关系，需要妥善考虑其内部受力情况，否则分析结果误差过大。但接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的计算资源，为了进行实际有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很重要的。接触问题存在两个较大的难点：①在求解问题之前，不知道接触区域，表面之间是接触或分开是未知的、突变的，这由载荷、材料、边界条件和其他因素而定；②大多的接触问题需要计算摩擦，有多种摩擦和模型可以选择，但摩擦使问题的收敛性变得困难。作者采用面-面接触模拟弹簧阀片之间的连接关系，不但能较好地表征阀片之间的内部关系，而且减少了阀片组之间由于摩擦副带来的大量计算工作量。

(2)添加边界条件

图3和图4分别为该汽车前减振器伸张阀弹簧阀片和压缩阀弹簧阀片的力学模型。伸张阀阀片简化为受均布载荷q作用、内边缘为固定夹紧的圆环薄板；压缩阀阀片简化为受均布载荷q作用、外边缘为简单铰链支承的圆环薄板。

图3 伸张阀弹簧阀片的力学模型

图4 压缩阀弹簧阀片的力学模型

根据减振器的实际使用工况下减振器的示功图[12](如图5所示)，对阀片组的载荷进行定义。减振器在伸张至工作状态下，伸张阀片受到油液通过6个均布的活塞孔而作用在伸张阀上的力，大小为50 N。减振器在压缩工作状态下，压缩阀受到4个均布的力，大小为100 N。

图5 示功图

对于压缩阀，减振器在压缩运动的整个过程中，由于压缩阀底座的作用,最内圈的边缘都是完全固定的。而伸张阀则由于弹簧的作用,先会向下运动小段距离后，弹簧压缩到一定程度就可以完全抵消伸张阀受到的油压力。这里考虑的是弹簧压缩之后的，所以伸张阀的最内圈也是完全固定的，得到伸张阀和压缩阀有限元模型，分别如图6和图7所示。

图6 伸张阀有限元模型

图7 压缩阀有限元模型

3 计算与结果分析

通过ANSYS有限元软件，根据减振器在实际工况下工作原理，对减振器弹簧阀片的伸张阀和压缩阀进行强度和刚度分析，得到了压缩阀和伸张阀的应力和应变图，分别如图8—11所示。

图8 压缩阀应力分布

图9 压缩阀应变分布

图10 伸张阀应力分布

图11 伸张阀应变分布

由图8—11可以明显看出压缩阀和伸张阀的最危险受力截面均在压缩阀内圈的边缘处，而最大应变均发生在压缩阀的外圈，最大应力和应变值见表2，这些均与实际情况相符。

表2 弹簧阀片的最大应力和应变值

4 结论

通过对汽车前减振器的强度和刚度进行分析，获得了前减振器在工作状态下伸张阀和压缩阀弹簧阀片的应力应变分布云图，得到以下结论：

(1)建立减振器弹簧阀片的实体模型，以*.stp格式通过接口技术导入ANSYS有限元软件环境中，具有建模快、数据不丢失、模型不失真优势。

(2)通过对减振器弹簧阀片的受力分析，建立了弹簧阀片伸张阀和压缩阀的物理力学模型，并结合减振器工作特性曲线对伸张阀和压缩阀弹簧阀片有限元模型进行边界定义。

(3)在减振器弹簧阀片有限元模型基础上对它们进行了强度和刚度分析，计算结果与工作工况下的状态较为一致，解决了传统材料力学难以直接计算得到复杂弹簧阀片结构应力应变的难题，为汽车减振器的性能改善提供了可靠的依据。

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Mechanics Modeling and CAE Simulation Analysis of Spring Valve Plate on Shock Absorber

GAO Fahua，LUO Mingjun

(Automotive Engineering Research Institute，Wuhu Chery Commercial Vehicle Company, Wuhu Anhui 241006,China)

According to difficult to accurately obtain stress and strain value of rebound valve and compression valve on shock absorber in working status by using traditional materials mechanics, finite element analysis was applied in the research. Constraint relation among spring valve plates on shock absorber was simulated by creating contact pair based on ANSYS according to internal force relations of spring valve plates group on shock absorber in working status. The mechanical models of rebound valve and compression valve were established in order to accurately analyze force relation of the valve plates group. The loads of rebound valve and compression valve were defined by combining performance curve of shock absorber. The stress and strain distribution of rebound valve and compression valve were obtained by analysis of strength and rigidity when shock absorber was in working status. It provides basis for subsequent optimization design.

Shock absorber; Rebound valve; Compression valve; Mechanics model；Finite element analysis

2017-01-13

国家自然科学基金资助项目(51405123)；江西省教育部项目(赣教技字[2007]20号)

高发华(1979—)，男，主要研究方向为汽车整车技术研究与工程开发。

罗明军，E-mail：lmjlmh2008@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.05.008

U461.1

A

1674-1986(2017)05-038-04