（光学工程专业论文）半挂车钢板弹簧平衡悬架支架力学分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 钢板弹簧平衡悬架支架是半挂车板簧平衡悬架的承载件和传力件，也是板 簧、车轴等零部件的安装基础。其强度、刚度和疲劳寿命直接影响到整个悬架的 使用寿命，对保证半挂汽车的安全行驶有着非常重要的作用。 由于设计和制造的缺陷，在实际使用中有时会出现悬架支架开裂、变形过大 引起悬架运动干涉等现象。在设计初期，通过使用虚拟样机技术，模拟和分析其 力学特性，为设计提供足够的信息，从而保证设计的支架达到设计目标。正是基 于此出发点，本文进行了镇江市成果转化基金项目( c z 2 0 0 7 0 0 8 ) 中关于钢板弹簧 平衡悬架支架力学特性分析部分的研究。 本文主要工作内容包括： 1 建立了某新型半挂车钢板弹簧平衡悬架各支架和平衡梁的有限元模型；应 用a n s y s 软件对其进行了静态强度和刚度分析；通过非电量电测法测定半挂车钢 板弹簧平衡悬架前支架上特定点的静态应力并验证有限元模型及其理论计算结 果的正确性。 2 对现有的主要疲劳评估理论和方法进行了分析、总结和比较。 3 分析了半挂车钢板弹簧平衡悬架各支架和平衡梁的模态特性和频率响应 特性；由s i m u l i n k 软件仿真获得了半挂车钢板弹簧平衡悬架动态外载。 4 根据半挂车钢板弹簧平衡悬架各支架和平衡梁在制动工况下的受力状况、 动态载荷和材料的s - n 曲线，建立了半挂车钢板弹簧平衡悬架各支架和平衡梁的 疲劳分析模型，预测了各支架和平衡梁的疲劳寿命，找出了其薄弱环节，为半挂 车钢板弹簧平衡悬架的安全性评价和优化设计提供了依据。 关键词：半挂车、钢板弹簧平衡悬架支架、有限元、疲劳分析、静强度分析 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r a c k e t so fk a f s p r i n gt a n d e ms u s p e n s i o na r ei m p o r t a n tp a r t s ，t h ei n s t a l l e d b a s eo fs p r i n g ，a x l e sa n do t h e r p a r t s t h e ya r ep o w e r t r a n s m i s s i o np a r t sa n di m p o r t a n t t oc a r r yp i e c e so fl e a fs p r i n gs u s p e n s i o n i t si n t e n s i t y 、s t i f f n e s sa n df a t i g u el i f ed i r e c t i m p a c to nt h el i f eo ft h ee n t i r es u s p e n s i o n ，p l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gt h e s a f ed r i v i n go fs e m i t r a i l e r i nt h ea c t u a lu s eo fk a fs p r i n gt a n d e ms u s p e n s i o n ，s u s p e n s i o nb r a c k e t s c r a c k i n g ，d e f o r m a t i o ni st o ol a r g ea n ds u s p e n s i o nm o v e m e n ti n t e r f e r e n c ea n d8 0o n s o m e t i m e so c c u r r e db e c a u s eo ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gd e f e c t s e a r l yi nt h e d e s i g n ，t h r o u g ht h eu s eo fv i r t u a lp r o t o t y p i n g ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i so ft h e i r m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s a n dp r o v i d ea d e q u a t ei n f o r m a t i o nf o rt h ed e s i g nt oe n s u r e t h eb r a c k e t st oa c h i e v ed e s i g ng o a l s b a s e do nt h i ss t a r t i n gp o i n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a s r e s e a r c h e dm e c h a n i c sa n a l y s i so nl e a fs p r i n gt a n d e ms u s p e n s i o n , w h i c hi so n e p a r to ft h ez h e n j i a n gc i t yt r a n s f o r m a t i o nf u n d 1 f i 】缸t ee l e m e n tm o d e l sf o rb r a c k e t sa n db a l a n c eb e a mo fs e m i t r a i l e rl e a f s p r i n gt a n d e ms u s p e n s i o nh a sb e e nb i u tb yu s i n gt h et h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s c a t i as o f t w a r e ，a n dt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c sh a ss i m u l a t e dw i t ht h e m o d e l ，a n di t ss t r e s sa n dd e f o r m a t i o nu n d e rt h el o a dh a sb e e ng o t ；t h e nb a s e do n i t ，u s i n gt h er e s i s t a n c es t r a i ng a u g em e a s u r e m e n tt of i n dt h es t r e s sc o n c e n t r a t i o ns i t s o ft h eb r a c k e t sa n db a l a n c eb e a m t h ef m i t ee l e m e n tm o d e l sa n dt h ec o r r e c t n e s so f t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sh a v e b e e nv e r i f i e d 2 t h em a i nf a t i g u ea s s e s s m e n to fe x i s t i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d sa r ea n a l y z e d ， s u m m a r i z e da n dc o m p a r e d 3 m o d a lp r o p e r t i e sa n df r e q u e n c yr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so fs e m i - t r a i l e rk a f s p r i n gt a n d e ms u s p e n s i o nh a sb e e ng o t t h ed y n a m i cs i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u tb yu s i n gt h es i m u l i r t ks o f t w a r ea n d c o u n t e r f o r c e t i m ec o u r s eo fl o a dh a sb e e ng a i n e d 4 b a s e do nb r a k i n gw o r k i n gc o n d i t i o nf o r c es t a t u s ，c o u n t e r f o r c e t i m ec o u r s eo f i n 江苏大学硕士学位论文 l o a da n ds nc u r v e ，t h ef a t i g u el i f eo fb r a c k e t sa n db a l a n c eb e a mo fs e m i - t r a i l e rk a f s p r i n gt a n d e ms u s p e n s i o nh a v eb e e nc a l c u l a t e d ，w e a k n e s s e sh a v eb e e ni d e n t i f i e d f i n a l l ys o m em e a s u r e sf o rs a f e t ye v a l u a t i o na n do p t i m a ld e s i g ni m p r o v e m e n ta r e p r o p o s e d k e yw o r d s ：s e m i - t r a i l e r ，b r a c k e t so f 7l e a fs p r i n gt a n d e ms u s p e n s i o n ，f i n i t e e l e m e n t ，f a t i g u el i f e ，s t a t i ci n t e n s i 锣a n a l y s i s i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密劝。 学位论文作者签名：李辉指导教师签名：商高高 2 0 1 0 年6 月9 日2 0 1 0 年6 月9 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：李辉 日期：2 0 1 0 年6 月9 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题背景与研究意义 1 1 1 半挂车钢板弹簧平衡悬架的行业现状 随着我国经济的快速发展和公路建设的加强，专用汽车的重型化又对专用车 的通过性及平顺性等诸多性能提出了更高的要求，空气悬架系统是实现这个目 标的最佳选择。在国外，空气悬架系统在重型货车上的使用率超过8 0 ，在 高速客车和豪华城市客车上已1 0 0 采用 1 - 2 1 。但是在国内，由于空气悬架结 构复杂、成本较高在半挂车上装备的并不多，钢板弹簧平衡悬架因为其成本 较低、结构简单、易于维修保养等优点被广泛地装备于半挂车上。 钢板弹簧平衡悬架的应用对半挂汽车运输技术的发展是至关重要。它提高了 半挂轮胎的接地性和通过性，改善了各车轴的受力状况。最为常见的是标准化程 度较高的两桥平衡悬架。但对于重型半挂车底盘来说载重量大，单轴载荷按照国 家标准g b l 5 8 9 2 0 0 41 3 的规定一般不能超过1 5 0 0 0 k g ，因此只能通过增加更多的 车轴来满足设计要求。专用半挂车的底盘结构要根据客户的不同要求来进行专门 的设计，这就要求半挂车的悬架系统要与不同的底盘来匹配。因此半挂车的悬架 很难采用现有的通用平衡悬架。要针对不同型号的底盘进行特殊的设计1 4 7 j 。 一些新的国家标准，如g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 机动车运行安全技术条件和 g b t 6 4 2 0 2 0 0 4 货运挂车系列型谱，对车辆的设计与生产有着重要的规范和指 导作用。这些标准的全面实施对多轴重型半挂车，尤其是专用半挂车，如厢式半挂 车、低平板半挂车、运送车辆专用半挂车以及框架式集装箱运输半挂车的推广应 用，对道路运输装备产品的结构调整等将产生很好的促进作用。同时，这些标准更 鼓励车辆的轻量化和新技术( 如a b s 、空气悬架) 在半挂车上有应用，对于提高专 用汽车技术含量，缩小与世界先进水平的差距，都将产生积极的影响。 在国内半挂车的车轴、板簧悬架、牵引座已经形成了专业化批量生产。顺德 富华工程机械制造有限公司的富华牌、镇江宝华半挂车配件有限公司的宝明牌、 安徽车桥厂的安桥牌以及中德合资b p w ( 梅州) 车轴有限公司的b p w 品牌都是我国 国内专业的钢板弹簧平衡悬架( 或板簧悬架支架) 、车轴和牵引座的生产厂商。 江苏大学硕士学位论文 另一方面，我国钢板弹簧平衡悬架的设计和生产还比较落后。一方面表现在 设计手段上的落后，计算机仿真、模拟和数字化设计技术在企业应用得不多；另 一方面产品的生产没有实现系列化惨哪l 。 1 1 2 半挂车钢板弹簧平衡悬架研究现状 伴随着c a e 技术和有限元理论的发展与完善以及计算机技术的日趋成熟和 广泛应用，采用c a e 技术对工程实际问题进行仿真分析和优化，可以提高计算 精度和产品的开发质量、降低开发成本、缩短设计周期，提升产品的市场竞争力。 同时通过对机械系统的运动学、动力学分析，可以发现目标函数的影响因素及各 因素的影响程度和影响规律，在得到系统运动特性的同时完成对系统的可行性分 析、灵敏度分析、优化设计等研究工作。但是，由于国内对于汽车产品的自主研 发起步较晚，目前还是处于仿制阶段。 从文献检索情况看，国内外对半挂车钢板弹簧平衡悬架系统的研究主要集中 在悬架系统的运动机理、主要影响因素、板簧动力学模型的建立和动特性等。倪 寿勇，陈靖芯，刘洪庆等人运用悬架力学理论和多体动力学理论并结合c a t i a 、 m s c a d a m s 软件对平衡悬架运动的机理、主要影响因素进行了分析讨论；对 钢板弹簧的建模问题及板簧的动特性问题进行了仿真分析。而结构强度和刚度、 随机疲劳分析、拓扑优化应用在车架上的情况比较多见，但并没有系统地应用在 支架上 2 1 - 2 3 】。目前国内还没有专门的文章针对平衡悬架的支架做结构强度、模 态分析、时域路面激励引起的动态载荷、疲劳分析、拓扑结构和轻量化等比较系 统的研究。 1 2 本课题的来源、研究内容和研究意义 本课题来源于2 0 0 7 年度镇江市科技成果转化专项资金项目 ( c z 2 0 0 7 0 0 8 ) 中的部分内容，主要是运用有限元法对半挂车钢板弹簧平衡 悬架支架进行结构强度分析、模态分析、疲劳分析。具体的工作包括： 本课题研究的主要内容有如下几点： ( 1 ) 分析半挂车钢板弹簧平衡悬架的结构特点、各支架载荷和约束的关 系建立其有限元数学模型； 2 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 利用有限元法分析半挂车钢板弹平衡簧悬架各支架的结构强度并进 行实验验证； ( 3 ) 进行半挂车钢板弹平衡簧悬架各支架的模态分析； ( 4 ) 建立车辆的四分之一模型，结合路面谱使用s i m u l i n k 软件仿真出半 挂车钢板弹平衡簧悬架各支架的动态激励。 ( 5 ) 利用a n s y sw o r k b e n c h 软件对各支架进行疲劳分析。 本课题的研究意义是：通过建立钢板弹簧平衡悬架的三维数模、利用有限元 软件建立其有限元模型，模拟各支架在使用过程中的各种工况，有利于提高平衡 悬架的可靠性、缩短开发周期，节约开发成本，对半挂车钢板弹簧平衡悬架的自 主开发有重要的意义。 ( 1 ) 通过院校与企业的产学研合作，将高校的研究成果引入企业之中，用先 进的设计与制造技术来指导企业的生产，是科学技术转化为生产力的有效方法。 ( 2 ) 将现代的c a d c a e 技术应用于半挂车悬架的设计开发之中，通过三维的 虚拟装配、各支架的结构设计、性能分析、使c a d c a e 技术贯穿于整个设计全过 程。 ( 3 ) 通过将计算机仿真技术和可靠性试验相结合，虚拟设计与经验设计相结 合，探索出一条有效的自主研发半挂车悬架的有效途径，为今后开发新型的半挂 车悬架提供一定的参考价值。 1 3 小结 本章介绍了国内外半挂车行业的发展状况与半挂车钢板弹簧平衡悬 架的研究状况，以及c a e 技术在半挂车悬架开发中的应用状况，在此基础 上阐述了本课题的背景、研究目的和意义，以及研究的主要内容，明确了 整个研究课题的主要任务。 3 江苏大学硕士学位论文 第二章半挂车板簧平衡悬架支架的结构强度研究 2 1 钢板弹簧平衡悬架的结构与工作特点 平衡悬架主要由前支架、中支架、后支架、平衡梁、钢板弹簧、拉力杆组成。 支架是主要的承载件和传力件，支撑着汽车的载荷，并通过钢板弹簧将载荷传给 车桥，在实际行使中，作用在车轮上的牵引力、制动力、横向力，是经过桥壳传 到悬架及车架或者车厢上的，同时汽车在路面上高速行驶，由于路面不平度的影 响和车辆启动制动工况中产生的交变载荷的影响，半挂车的悬架支架会受到交变 载荷的作用，在这种交变载荷反复作用下，会发生裂纹萌生和扩展并导致突然断 裂。本文就是利用有限元方法对极限载荷制动工况下讨论各支架的结构强度刚度 的计算。 图2 1 两轴板簧平衡悬架装配示意图 f i g 2 1 t w o - a x l ol e a ft a n d e ms p r i n gs u s p e n s i o na s s e m b l yd r a w i n g 卜前支架2 一钢板弹簧3 一平衡臂4 一中支架5 后支架6 一拉杆7 一车轴 1 - t h ef r o n tb r a c k e t2 d e a fs p r i n g3 - t h eb a l a n c ea t i n4 - t h em i d d l eb r a c k c t 5 - t h cl a s tb r a c k e t6 - r o d 7 a x l e s 鉴于钢板弹簧平衡悬架的支架在实际使用中受力情况比较复杂，支架的可靠 性直接影响到整个板簧悬架的可靠性进而影响到半挂车底盘的可靠性。因此对钢 板弹簧平衡悬架的支架提出以下设计要求： ( 1 ) 有足够的强度，保证在各种复杂受力的情况下支架不受破坏； ( 2 ) 足够的疲劳强度，保证汽车大修里程内，不至于有严重的疲劳损伤： ( 3 ) 有足够的弯曲刚度，保证汽车在各种复杂受力的使用条件下，支架上各总 成不至因为变形而早期损坏或失去正常的工作能力； 4 江苏大学硕士学位论文 ( 4 ) 尽量减轻质量，由于支架较重对于钢板的消耗量相当大。因此在保证强度 的条件下，应尽量减轻支架的质量。 2 2 有限元分析的基本步骤 有限元法的基本原理以结构力学中的位移法为基本，把复杂的结构或连续体 看作是有限个单元的组合，各个单元彼此在节点处联结组成整体，这里把连续体 分成有限个单元的过程叫做离散化。先对单元的特性进行分析，然后根据各个单 元在节点处的平衡和协调条件建立方程，最后作整体分析。这样先离散然后再综 合的过程，就把连续体的计算问题转化成了简单单元的分析与综合问题i 摊2 6 1 。 2 2 1 结构的离散化 这是有限元法的基础，即将要分析的结构模型分割成有限个单元体，并在单 元体的指定点设置节点，使得相邻单元的有关参数具有一定连续性，并构成一个 单元的集合体，用以代替原来的结构。为了能够有效地逼近实际的连续体，要考 虑单元的形状和分割方案以及确定节点和单元数目等因素。 2 2 2 单元分析 即利用固体力学理论研究单元的性质，从建立单元位移函数入手，获得计算 单元应力、应变、单元刚度矩阵以及单元等效节点载荷向量的计算公式，并讨论 单元平衡的条件，建立单元节点力与节点位移之间的关系。 ( 1 ) 选择位移模式 为了能够利用节点位移表示单元体的位移、应变以及应力，在分析连续体问 题的时候，必须对单元中的位移分布进行一定的假设，即假设位移是坐标的某种 简单的函数，这种函数称为位移函数或插值函数。通常选择多项式作为位移函数， 因为多项式的数学运算较为方便，而且由于所有的函数的局部都可以用于多项式 逼近。而对于多项式的阶次和项数的选择，则要考虑单元的自由度和解的收敛性 要求，一般来说，多项式的阶次应包括常数项和线性项，它的项数应该等于单元 的自由度数。单元内的位移模式由下式给出： f ) = 【】。 ( 2 1 ) 式中： f 一单元内任一点的位移列阵； 5 江苏大学硕士学位论文 万) e 一单元的节点位移列阵； 【卜一单元位移模式矩阵。 ( 矽单元应变分析 将单元位移函数式( 2 1 ) 代入弹性力学的几何方程， 点的应变关系式为： = 【曰】。 式中： g 一单元任一点的应变列阵； 【b 】一单元的应变矩阵。 可以推出单元内任意 ( 2 2 ) ( 3 ) 单元应力分析 借助式( 2 2 ) ，用弹性物理方程可以计算出单元内任一点应力与节点位移的 关系式： = d 】 曰 c ( 2 3 ) 式中： 万) 一单元内任一点的应力阵列； 【d 】一与单元有关的弹性矩阵。 ( 4 ) 单元刚度矩阵和单元平衡方程 k ) c = 【b r d i s l d v ( 2 1 4 ) 式中： k 8 一单元刚度矩阵 根据平衡条件或利用虚功原理，建立作用在单元上的节点力和节点位移之间 的关系式，即单元的平衡方程： f ) 8 = 【k 】e 万) 8 ( 2 5 ) ( 5 ) 整体分析 即把建立的单元刚度矩阵集成起来，形成结构整体刚度矩阵，并将作用于各 个单元的等效节点阵列组集成为总的载荷阵列，一般采用的组集刚度矩阵的方法 是直接刚度法，也就是要求相邻的单元在公共的节点出位移相等，由此可得到有 限元分析的整体平衡方程式： 6 江苏大学硕士学位论文 f ) = k 】 万) ( 2 - 6 ) 式中： f 一结构的节点载荷阵列； 【k 卜一整体刚度矩阵； 万 一结构的节点位移阵列。 随后引入边界条件，并利用式( 2 5 ) 可解出节点位移，然后利用式( 2 6 ) 可计算出各个单元的应力，最后加以整理可求得所要的结果。 2 3 钢板弹簧平衡悬架各支架和平衡梁的载荷分析 支架是钢板弹簧平衡悬架的重要部件，连接着车架和车轴，承受着车轴和车 架传给它的各种力和力矩。此外，由于载货汽车的使用条件十分恶劣，受力状况 非常复杂。为此，支架应有足够的弯曲刚度，以使装在其上的有关机构之间的相 对位置在汽车行驶过程中保持不变：支架也应有足够的强度，以保证其有足够的 可靠性与寿命，在使用期内不应有严重变形和开裂。因此，支车架进行静态特性 分析是很必要的。 结构静力分析用于计算由那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或 部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定，即假 定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括外部施 加的作用力和压力、稳态的惯性力( 如重力和离心力) 、位移载荷等。通过结构强 度和刚度的有限元静力分析，可以找到支架在各种工况下的变形和应力的最大值 以及分布情况。以此为依据，通过改变结构的形状尺寸或者改变材料的特性来调 整质量和刚度分布，使支架的变形和受力情况尽量均衡。同时可以在保证结构强 度和刚度满足使用要求的前提下，最大限度地降低材料用量，使支架的自重减轻， 从而节省材料和降低油耗，提高整车性能。 不考虑冲击载荷情况下的制动工况：假设挂车满载在平直路面上行驶，以最 大加速度制动。国家标准g b 1 5 8 9 规定半挂车三轴悬架单桥最大载荷不得超过 1 3 0 0 0 k g 。按此极限工况，在不考虑冲击载荷的情况下，结合图2 1 由静力学原 理可求得各支架弧形块处的载荷。由于单桥最大载荷为1 3 0 0 0 i 毽, 而每根桥上装 有两套钢板弹簧，因此每套钢板弹簧承受的载荷为6 5 0 0 k g 。每套钢板弹簧的两 7 江苏大学硕士学位论文 端分别连接前支架的弧形块和平衡梁的弧形块；或是连接平衡梁的弧形块和后支 架的弧形块。因此可以得出前支架的弧形块、平衡梁的弧形块和后支架的弧形块 承受的载荷为3 2 5 0 k g 。 前支架弧形块承受由钢板弹簧传递的载荷为3 2 5 0 k g ( 弧形块大约1 2 面积) 方向为z 轴正向，受力面积为3 2 1 x 1 0 - z m 2 图2 7 所示红色区域。在制动工况下， 挂车的最大减速度乘以质量得到挂车的最大制动力为2 2 0 0 0 n ，折算到每根拉杆 承受的最大制动力为7 8 0 0 n 加载在拉力杆轴套的半个圆弧面上加力方式为均布 节点力方向为水平方向。约束位于两个侧板的顶部因为前支架大端是焊接在车架 上的，对这两个侧板的约束为全约束。 图2 2 前支架受力分析图 f i g 2 - 2t h ef r o n tb r a c k e tf o r c ed i a g r a m 平衡梁两弧个形块上承受由两个钢板弹簧分别传递的载荷均为3 2 5 0 磁( 弧 形块大约1 2 面积) 方向为z 轴正向，受力面积为3 2 1 x 1 0 _ 2 m 2 图2 1 0 所示红色 区域；在计算模型中按受压工况进行计算，该平衡梁所受的约束位于轴套孔处如 图2 1 0 所示，在每一个瞬时对于这个表面的约束为全约束。x 轴、z 轴方向为 固定约束，可绕y 轴旋转。 8 江苏大学硕士学位论文 由臻袖缓定予幸褒鬻w 绳之麓转 图2 3 平衡梁受力分析图 f i g 2 3t h eb a l a n c ea l t l lf o r c ed i a g r a m 中支架轴套的上半圆弧面上承受由钢板弹簧传递的载荷均为3 2 5 0 k g ，( 垂直 于圆弧内表面的压力) 方向为z 轴正向，受力面积为6 2 x 1 0 。3 m 2 图2 8 所示红 色区域。与制动拉杆连接的轴套承受的最大制动力为7 8 0 0 n 方向为水平方向； 加载在拉力杆轴套的半个圆弧面上加力方式为均布节点力。动态工况时的约束位 于两个侧板的顶部因为中支架的大端是焊接在车架上的，这两个侧板的约束为全 约束。 图2 4 中支架受力分析图 f i g 2 - 4t h em i d d l eb r a c k e tf o r c ed i a g r a m 后支架的弧形块上承受由钢板弹簧传递的载荷为3 2 5 0 k g ( 弧形块大约l 2 面 积) 方向为z 轴正向，受力面积为3 2 1 1 0 m 2 图2 - 9 所示红色区域。该后支架所 受的约束位于两个侧板的顶部，对这两个侧板的约束为全约束。 9 江苏大学硕士学位论文 模型中使用了s h e l l e l a s t i c 4 n o d e 6 3 单元模拟，支架的材料为4 5 # 铜1 ，定义的 材料弹性模量为2 1 1 0 8 k p a ，泊松比为0 3 ，材料的密度为7 8 1 0 。6 k g m m 2 。 对于支架的自重，只需在a n s y s 软件的前处理程序中输入它的材料的密度， 程序便会自动将单元载荷因子的信息计入总载荷，进行计算。 图2 3 后支架受力分析图 f i g 2 5t h el a s tb r a c k e tf o r c ed i a g r a m 2 4 各支架有限元模型的建立 支架的有限元模型是进行支架分析的基础。建立支架的有限元模型，就是根 据所研究的问题的具体情况，选择合适的有限元单元，对支架进行离散化，给这 个模型赋予合适的材料属性，进行边界条件的模拟，进行模型的调试，最后提供 一个具有可靠精度的支架仿真模型的过程。 将在c a t i a 中建好的支架c a d 模型以i g e s 格式( 标准图形数据交换格式) 导入有限元前处理软件h y e r m e s h 中。由于c a d 模型本身的不完善或者在转换 过程中的数据丢失、失真等原因，导入到h y p e r m e s h 中的三维模型会丢失部分 线面信息，因而在这种情况下几何模型出现间隙、重叠和缺损，这些会妨碍高质 量网格的自动划分。这就需要通过h y p e r m e s h 强大的几何清理功能对几何数据 1 0 江苏大学硕士学位论文 进行处理，修补破损的曲面、删除重叠面、释放被误约束的点和线等等，通过对 几何模型的处理，得到完整的线面信息，为高质量网格的自动划分提供基础，从 而提高网格划分的总体速度和质量。 其次，为了建立优质的有限元模型，需要对几何模型进行必要的简化。因为 有限元建模的主要任务之一就是在尊重实际和不影响计算精度的情况下，力求使 有限元模型的单元和节点数较少，以减少计算的工作量，同时还要保证单元的质 量。因此，网格划分前应对几何模型进行适当简化： ( 1 ) 由于导入的c a d 模型具有丰富的几何信息如：细小尺寸、尖角、倒角和 小尺寸的圆孔，这些的存在会使网格划分中单元尺寸急剧变化导致单元质量的恶 化和单元数量的剧烈增加。 ( 2 ) 对结构的细微环节进行适当简化对结构的整体性能影响很小。在进行结 构简化时应坚持如下原则：对所关心的部位少简化或不简化，对远离所关心部位 的区域，可在不影响分析的情况下作较大简化。 划分网格是建立有限元模型的一个重要环节，它要求考虑的问题较多，需要 的工作量较大，所划分的网格形式对计算精度和计算规模将产生直接影响。为建 立正确、合理的有限元模型，在划分网格时应满足以下一些基本原则： ( 1 ) 网格数量，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。 网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加耗费更多的计算 资源和时间，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。在决定网格数量 时应考虑分析数据的类型。在静力分析时如果仅仅是计算结构的变形，则网格数 量可以少一些。如果需要计算应力，则应取相对较多的网格。 ( 2 ) 网格疏密，网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为 了适应结构上不同应力分布特点。划分疏密不同的网格主要用于应力分析，在应 力变化梯度较大的部位( 如应力集中处) 为了较好地反映应力分布规律，需要采用 比较密集的网格。而在应力变化梯度较小的部位，为减小模型规模则应划分相对 稀疏的网格。采用疏密不同的网格划分，既可以保持相当的计算精度，又可以减 小计算规模和时间。 1 1 江苏大学硕士学位论文 ( 3 ) 网格的质量控制，网格质量是指网格几何形状的合理性。网格质量的好 坏将影响计算精度。网格质量可用内角、长宽比、扭曲角、翘曲角、弦高比、雅 克比率等指标度量。 ( 4 ) 单元类型选择，在实际工程中，支架是由薄壁件组成，且形状复杂，应 利用板壳单元进行离散处理。这种模型可以使分析结果更准确。因此在建立支架 模型时，考虑到其力学特征，选用板壳单元( s h e l l ) 。然而，在选取具体的单 元类型时还要考虑如下因素：( 1 ) 使用s h e l l 6 3 单元模拟，通过加密网格来提高应 力精度，而不是通过采用具有高阶应力场的多节点单元和曲边单元来提高精度。 因为，前者容易划分还可以较好的模拟结构的变形。( 2 ) 选用少量三节点直边单 元( 弧i a 3 ) 以满足网格质量过渡要。 图2 6s h e l l 6 3 单元结构 f i 鲒一6 t h es t r u c t u r eo fs h e l l 6 3 所示的就是s 阳三u 巧3 单元的结构，坐标平面o x y 选在中面上，z 轴垂直 于中面，且为右手坐标系。在a n s y s 软件中，一般把板单元和壳单元合称为板 壳单元，具有弯曲和薄膜特征，在每个节点上由6 个自由度：沿节点坐标系x 、 y 、z 方向上的平动以及沿节点坐标系x 、y 、z 轴的转动。s h e l l 6 3 单元可以 在4 个节点上定义不同的厚度，此外还可以输入一个弹性基本硬度，各项异性特 征，而且具有薄膜和平板弯曲的描述功能，能承受面内和法相的载荷，而且考虑 了大偏移位移和应力钢化。在每个单元的面内，其节点厚度为输入的四个厚度， 且其单元厚度假定为均匀变化。假如单元厚度不变，只需在单元属性中输入t k ( i ) 就可以了；但如果厚度是变化的，则四个节点的厚度都需要输入【1 8 1 。 根据以上几条网格划分的基本原则，结合钢板弹簧平衡悬架各支架和平衡梁 江苏大学硕士学位论文 的实体模型，再定义了单元属性和网格划分控制之后，生成的各支架和平衡梁的 有限元模型如下： 图2 7 前支架的有限元模型 魄2 - 7 t h e m o d e lo f & l a s t b r a c k d 图各8 中支架的有限元模型 f i g2 t h e m o d e l o f 自h e m i d 皿e b r 扯k e t 扛苏走学硕士学位论文 图2 - 9 后支架的有限元模型 f i g2 - 9 t h e m o d e l o f t h e l a n b r a c k e t i 图2 1 0 平衡粱的有限元模型 f 蟾2 ；t o 缸m i d d l e o f d l c b a l a n c ea r m 岁 江苏大学硕士学位论文 2 5 计算结果及分析 图2 - 1 1 前支架的应力云图 f i g 2 - 1 1 t h e d r s d o u d o f m e h b r a c k e t 圈2 1 2 前支架的应变云圈 f i g 2 - 1 2 t h es t r a i n c l o u d o f 也e f r o n i b l m c k c t iiiiu口 江苏大学硕士学位论文 图二1 3 前支架的应变矢量云图 f i g 2 - 1 3 t h es t r a t av e m c l o u d o f t h e f i - o n t b r k e t 图 1 4 前支架的应力矢量云图 f i 9 2 - 1 4 t h e d 灌v e t o tc l o u d o f t h e f i o t b r a c k e t 在制动工况的载荷和约柬下，前支架的最大应力为8 6 4 7 2 k p a ，最大应力发 生在加强管和侧板的连接处如图2 - 1 1 所示。前支架的动态最大应变在两侧版的 下部边缘处最大应变为0 1 6 7 m m ，如图2 一1 2 所示的红色部分。材辩牌号为q 2 3 5 的碳素钢，e = 2 1 e 5 m p a ，u = 0 3 ，t = 3 5 3 m p a ，吒= 5 9 8 m p ae 前支架的揖太应 力远小于材料的屈服应力，应变也不大。困此前支架在此工况下是安全的，满足 设计要求。 江苏大学硕士学位论文 ? i 圈；1 5 中支架的应力云圈 酗1 5 岫s 嘲d o 缸0 f m o 商d 山h - d 耐 r 圈玉1 6 中支架的应变云图 f t g 2 - 1 6 血e 曲r a i n , ：l o u d0 f n m i d 山e h 越t d 中支架的最大应力为1 5 邪2 8 融4 最大应力发生在中支架轴套与中支架侧板 连接处的下部处如下图2 _ 1 5 所示。中支架的动态最大应变在两倒版的下部边缘 处最大应变为0 2 4 锄，如图2 1 6 所示的色部分。中支架的最大应力远小于材 科的屈服应力，应变也不大。因此中支架在此工况下是安全的，满足设计要求。 江苏太学硕士学位论文 图 1 7 后支架应变云图 f i 0 2 - 1 7 t h es m c l o u d0 f m e l s s t h m 图2 - 1 8 后支架应力云图 i r q 2 - 1 8 t h e 日r s c l o u d o f t l * m k b n 后支架的最大应力为2 1 9 9 6 k p a ，静态最大应力发生在后支架弧形块的表面 的中心区域如图21 8 所示。后支架的静态虽大应变出现在后支架两侧板的下部 边缘处最大应变为o 0 2 m m 如图2 1 7 所示的红色区域。后支架的最大应力远小 于材料的屈服应力，应变也不大。因此后支架在此工况下是安全的，满足设计要 求。 江苏大擘硕士学住论文 图二1 9 平衡粱应力云图 h 9 2 - 1 9 恤s - t r - - 鼎sc l o u d o f l h e b a l 蚰c ea r m 图2 _ 2 0 平衡粱应变云图 f i g 2 - 2 0 t h es a a i a c l o u d o f t h e b a l a n c ea r g l l 平衡粱的最大应力为3 6 4 2 7 k p a ，是大应力发生在平衡梁轴套处如下图21 9 所示。平衡梁的最大变形为其端部最大应变为0 0 4 r a m ，如图2 2 0 所示豹红色部 分。平衡粱的最大应力远小于材料的屈服应力，应变也不大。因此平衡梁在此工 况下是安全的，满足设计要求。 分析各支架在制动工况f 的结构强度和刚度时，本章是在不考虑冲击载荷的 极限工况下进行计算的，各支架和平衡粱在制动工况下的犀犬应力均远小于材料 江苏大学硕士学位论文 的许用应力，因此，各支架在此工况下满足设计要求。 2 6 小结 本章首先研究了钢板弹簧平衡悬架的结构与工作特点，在特定工况下对各支 架的载荷和约束条件进行了分析，根据各支架的几何特点分别建立了各支架的有 限元模型，得到了各支架在特定工况下的应力云图、应变云图以及矢量云图，并 对所得结果进行了分析。 江苏大学硕士学位论文 第三章半挂车板簧悬架前支架的应力实验分析 3 1 实验目的 通过非电量电测法测定半挂车钢板弹簧悬架前支架上特定点的静态应力及 其分布，以此来模拟车辆制动工况，并验证有限元模型及其理论计算结果的正确 性。 3 2 实验方案的确定 3 2 1 光测弹性测量法 光测弹性测量法采用具有双折射效应的透明材料( 目前主要是环氧树脂) 制 成与被测零部件几何形状相似的模型，然后将模型放在光弹性试验机的光场中， 并在模型上施加与实际零部件相似的载荷，受力后模型就会产生各种干涉条纹， 根据这些条纹图，就可以求得模型上个点的应力值，最后根据相似理论换算可求 出实际零部件相应点的应力值。 这种方法的主要特点是全场性和直观性，可以直接观察并获得零部件的应力分 布情况，变不可见的应力为“可见，特别是能直接看到应力集中部位和高应力区， 而且能准确迅速地获得应力集中系数；该方法的缺点是实验程序复杂、试验周期长、 技术要求高。大多数情况下需要在实验室由专业的技术人员完成，所以该方法不够 灵活，尤其是载荷需要模拟，有时会增加许多的困难，也造成一定的误差。 3 2 2 脆性涂层法 脆性涂层法，亦称脆性漆法，该方法的原理是将专门配制的涂料喷涂在被测 零部件的表面，经过充分的干燥后，形成紧紧附在构件表形上的脆性薄膜，当零 部件发生变形的时候，该薄膜也随之发生变形，当应变达到某一临界值的时候， 涂层就会出现裂纹，最先出现裂纹的部位就是零部件拉伸应力最大的部位，裂纹 的方向则与最大拉应力的方向垂直。在一定的条件下，应变越大，裂纹就越密。 脆性涂层法一般用于确定零部件实物或者模型受力后的高应力区、主应力方 向和大致的应力值。它是一种全场性测量方法，不受零部件形状、材料、载荷类 型和分布形式的限制，既可以用于实物测量，也可以用于模型实验，对应变分布 2 1 江苏大学硕士学位论文 给出总体状况，直观性较强，所用的设备工具也较简单，使用迅速、方便、经济。 但是该方法的测量结果受温度、湿度等影响比较大，测量的精度不高，灵敏度也 比较低。另外，在国内目前还没有脆性漆产品，要用的时候需要自己配制，既麻 烦也不容易保证性能，所以该方法一直没有得到推广应用。 3 2 3 电阻应变测量法 电阻应变测量技术，是利用黏贴在被测零部件上的应变片测取零部件表面的 应力，再根据应力和应变的关系式，确定零部件表面应力值的一种实验应力分析 方法。该方法的基本原理为：由于应变片中的电阻丝随着零部件一起变形，所以 发生阻值的变化，通过电桥电路可以使得这种微小的电阻改变量转换为电压信 号，经过应变仪将电压信号放大后，用适当的方法和仪器记录下来和定量的标定 值比较，最终确定出被测点的应变和应力值。 电阻应变测量技术的特点主要有：测量精度和灵敏度高、测量数值范围广； 频率相应好，可测量从静态到数十万赫兹的动态应变；可在高温、低温、高速旋 转等环境下惊醒测量；易于实现测量的数字化、自动化以及无线电遥测；只能测 出栅长范围内的平均应变；一个应变片只能测定零部件表面一点在某个方向的应 变。 通过上述试验方案的比较，并结合实际情况，本次的试验采用电阻应变测量 法 2 7 嗡j 进行，接线采用半桥的接线方法。如图3 - 1 所示，桥盒上的1 ，2 ，3 ，4 分别相当于电桥的a 、b 、c 、d 四个接线柱。r 3 ，r 4 分别为桥盒内的两个1 2 0 欧姆无感线绕电阻为内半桥。接线柱1 和5 ，3 和7 ，4 和8 分别短接，在1 、2 之间接工作片r 1 ，2 、3 之间接补偿片r 2 ，即为半桥单点测量接线。 玛玛 图3 - 1 桥盒的半桥接线方法