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外文翻译--复合钢板弹簧的分析和优化 中文版.doc外文翻译--复合钢板弹簧的分析和优化 中文版.doc -- 5 元

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附录英文文献译文复合钢板弹簧的分析和优化复合材料研究实验室,机械工程学系,伊朗科技大学,伊朗,德黑兰摘要使用ANSYS软件分析了轻型车辆中后悬架系统使用的四片钢板弹簧。有限元分析的结果显示了元素存在的应力和挠度,验证了分析和实验该解决方案。使用钢板弹簧的结果,用ANSYS软件对一个由连续玻璃纤维与环氧树脂的合成物进行设计与优化。主要考虑弹簧几何形状的优化。这个目的是要获得一个质量最低的弹簧能承载静态张力而没有损害。设计约束TsaiWu应力破坏准则和位移。结果表明一个最优弹簧宽度过分减少和厚度的增加从弹簧孔到轴承座呈线性变化。与钢板弹簧相比,经优化的复合材料的弹簧所受压力更小固有频率较高,相比没有卷耳机构的弹簧质量小接近80。关键词叶片弹簧复合材料形状优化复合接头有限元固有频率悬架系统叠合梁1.介绍在现代汽车工业中复合材料被广泛地使用来代替金属部分。几篇文章都致力于汽车上复合材料的应用。其中一些受到好评的论文,那些着重强调的涉及复合叶片弹簧。Breadmore1,2为汽车研究复合材料结构的应用。Moris3专注于在后悬架系统使用复合材料。Daugherty4研究重型卡车中复合材料板簧的应用。Yu和Kim5为汽车悬架板簧设计和动态优化双锥形梁(变截面少片弹簧)。Corvi6调查研究一个关于叠合梁设计的初步办法和用它来做一复合材料板簧。弹簧悬架是汽车悬架系统至关重要的元素,能有效的减少道路不平时汽车垂直振动的影响,创造舒适的旅程。叶片弹簧,尤其是纵向类型,在汽车悬架系统是一种可靠的、持久的元素。这些弹簧经常有钢板叶片堆积形成,厚度到两端渐变,这样弹簧中间厚以抗弯曲,两端薄连接车架或车身。叶片弹簧应该支持各种外力图1显示的,但最重要的任务是抵御这个变量的垂向力。垂直振动和冲击随着弹簧挠度的变化均有所变化,这样的潜力能量储存在弹簧,为应变能而后被释放缓慢。因此,提高叶片弹簧的能量存储能力,保障一个更顺从的悬架系统。弹性能量可储存于叶片弹簧体积单元。是弹簧引起的最大许用应力,E为弹性模量,都是在纵向上的。考虑到板簧主要载荷为垂直力。公式表明材料在纵向有最大许用应力和最小弹性模量的材料最适合做板簧。刚好,复合材料都有这些特点。考虑复合材料的最重要因素是他的质量轻。另一个最重要的特性是复合材料的储能比是钢板弹簧的5倍多,没有叶片摩擦,高疲劳强度,停电能力,优秀的耐腐蚀、光滑,更高的自然频率等。目前的研究工作,在轻型客车上使用的四片钢板弹簧已经被玻璃/环氧复合材料的复合弹簧取代。主要的目标是弹簧的形状优化设计以达到最小的质量。2.钢板弹簧本文中使用的四片钢弹簧的参数规范如表1。此弹簧是不对称的,所以前半部长度是559mm,后半部分是686mm。每一片都是50mm宽,厚约7mm。测试钢板弹簧在静载荷和完全冲击载荷下的实验结果,包含应力和挠度都列在表2。表2中的信息不足以设计复合叶片弹簧。因此,利用有限元方法进行应力分析。所有的计算都利用ANSYS有限元程序版本5.4进行9。在有限元建模、每一叶片进行了建模8模式3D砖元素45,然后5模式坚实三维接触单元49是用来联系代表接触和滑动相邻的表面叶片。面之间的平均摩擦系数采取0.037。弹簧轴座假设是固定和加载应用在每一半弹簧对应的长度位置上。一个基于静态加载和完全冲击载荷情况下的有限元应力分析。另一个解析解采用了SAE标准进行设计的叶片弹簧公式7。实验的结果,解析法及有限元两种方法都显示和对比在表3。有限元分析的最大正常应力xx比较在静载荷和完整的冲击加载实验的解决方案分别有23和3错误。这三种方法对最大挠度有一个很好的相关性。表3中给定的最大挠度和后半部分的位移有关。前半部分弹簧有偏转大约78mm。3.复合材料叶片弹簧考虑到几种不同类型的车辆叶片弹簧和在他们身上的不同载荷,已经研究出了各种各样的复合叶片弹簧。在一些设计中,弹簧的厚度和宽度是沿纵轴固定的10。在某些类型中,宽度保持固定的,厚度都沿着弹簧变化的11。在其他类型的宽度是固定的,在每个部分的hyperbolically厚度不同,所以在两个边缘层的厚度最低,中部为最大值12。另一个设计方案由Yu和Kim提出的,这是固定宽度和厚度从销孔到弹簧中间一直到轴座并且向轴的宽度hyperbolically下降及厚度的增加呈线性。在他们的设计中,弹簧的曲率,玻璃纤维的不规则在宽度和厚度方向的影响被忽视。因此,在此研究中简化的假设被去除,弹簧用更多真实的工况去设计。3.1材料选择材料的选用直接影响到叶片弹簧储能力的大小。许用应力,弹性模量,密度。具体的应变能钢板弹簧和一些复合材料进行了比较,如图2。相比碳纤维,玻璃纤维有较低的强度和刚度、密度较高,更好的腐蚀电阻、更高的冲击强度和较低的成本。一个良好的玻璃纤维复合材料取决于性质。所以现在的工作是在无碱玻璃、环氧树脂中选定弹簧的材料。这种材料的力学性能列在表4。假设这种材料为线弹性和正交各向异性板。3.3设计和优化随着层合复合材料在其他工程领域的广泛使用,设计最佳复合材料层合板,已经成为一种近年来广泛研究的课题。有些论文在文中有阐述,如参考文献13。由于复合叶片弹簧是一种单叶片,所以很有必要去优化弹簧的形状。设计师必须作出决策,选择有关最佳的几何形状。这需要一个宽泛的各种不同的复杂的解决方案去验证。因此,我们用ANSYS软件的有限元计算方法进行分析和优化。三维块元素可以被用于建模厚度,弯曲的和正交各向异性的板壳单元结构。3D壳元素用于薄壁结构厚度应在0.1或更小的宽度和长度。在复合弹簧的中间,厚度也会增加大约一半的弹簧宽度,要反抗此区域的最大值弯矩。相比块元素,采用壳单元需要更大数量的元素来表示一个精确的弹簧模型,因此,计算时间也增加。考虑到单向积蓄的复合叶片弹簧,选择三维eightnode砖元素固体45开发弹簧的有限元模型。3.3.2建模和优化根据SAE标准7叶片弹簧即可被视为两个悬臂梁。因此,目前的工作首先把后半部分的弹簧当做悬臂梁进行优化,然后基于后半部分的优化结果对前半部分优化。后半部分是被划分成18个片段。宽度和厚度在每一段parametrically定义。垂直静载荷在弹簧上是2500N,所以在后半部相应反应在孔的设计为1123N。设计类型,约束和客观功能都在软件中做了介绍。有限元软件ANSYS5.4对于优化有好几种技术。在这部作品中一阶方法17被选中。这种方法使用衍生性信息,那就是,梯度的从属变量对设计变量。它是高度精确,出色的解决了那些在大范围的设计空间差别很大的独立变量的问题。后半部分的优化过程中聚集了大约100迭代。图4显示了变异目标函数重量对迭代求解号码。得到后半部分最小的质量是888.1g。图5显示了沿着弹簧,宽度和厚度的变化。可以看出宽度的急剧增加和厚度的急剧减小,靠近轴座上约120毫米沿着弹簧,然后沿着弹簧往卷耳孔呈线性。3.3.3应力分析结果板簧在弯曲载荷和正向应力情况下的分析很重要,但是因为复合材料的各向异性特征,也必须研究其他组件的应力张量。复合材料在这种工况下纵向压缩强度小于纵向拉伸强度,所以弹簧压缩较小的表面容易损坏。因此,表面的应力分析要考虑很多。图6显示了表面最低处中间的压应力。压应力在轴座附近有最大值,大约217Mpa,沿卷耳逐渐减小。同样的加载下,钢板弹簧上的最大应力为大约550Mpa。玻璃纤维/环氧树脂抗压强度是450MPa而钢板弹簧的屈服应力1175MPa。所以,钢板弹簧的安全系数是2.3,而复合材料弹簧是2.1。由于应力失效准则的保守性质,实际的失效载荷比这种方法计算的载荷更大。在静载荷下弹簧的挠度为120.7mm,已经与期望值
编号:201311171606587106    大小:26.00KB    格式:DOC    上传时间:2013-11-17
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英文资料库上传于2013-11-17

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