【复合材料钢板弹簧结构研究的国内外文献综述7000字】

复合材料钢板弹簧结构研究的国内外文献综述钢板弹簧是一种典型的弹性件，被广泛应用在汽车行业当中。随着市场的发展以及环境的要求，节能减排已经成为汽车的基本要求。这导致很多汽车厂商以及相关企业开始通过引入新的轻质材料、优化设计和改善制造工艺来降低整车质量提高燃油经济性，而不会影响车辆的各方面性能。其中纤维增强复合材料高强度、高韧性、低比重的优良特性使其对于汽车轻量化的应用具有独特的吸引力。因此，国内外很多汽车制造商在整车上开始应用一些复合材料。复合材料板簧国内外发展概况板簧自18世纪70年代诞生延续至今，由于其结构简单、工作可靠、成本低廉以及维修方便，保持了旺盛的生命力，应用范围也从最初的马车扩展到了今天的各种商用车、乘用车车型上。在人们对汽车轻量化需求的驱使下，随着复合材料原材料与加工工艺的逐渐成熟，复合材料板簧也开始出现并逐渐发展。国外关于复合材料板簧在的研究最早开始于美国，上世纪七十年代，美国GM公司通过拉挤成型工艺制作样件进行了台架试验与装车试验，随后开发出了复合材料板簧的量产型号LiteflexTM，为了适应成本、性能以及量产的需要，制造工艺后来被改进为连续纤维缠绕成型，至1982年，LiteflexTM复合材料板簧疲劳台架试验寿命达到了1000万次，并应用到了55000辆Corvette轿车上。从此之后，随着复合材料板簧在发达国家范围内研究的陆续开展，其应用范围从轻型轿车扩展到中重型卡车上。英国纳铁福复合公司在1985年复合材料板簧的产能达到了年产50万套，广泛应用于轿车与卡车上，至1988年又将复合材料板簧应用到了伦敦市出租汽车上；美国的重型卡车与牵引车至1992年已经广泛采用了复合材料板簧；德国Handensleben自2005年开始生产复合材料板弹簧起，至今已为戴姆勒奔驰等货运车供货超过百万根。此外，日本、法国也对复合材料板簧进行了大量的研究。近年来，随着经济的发展，印度等发展中国家对复合材料板簧的研究热情也逐渐提高。目前，复合材料板簧已在雪弗莱、奔驰、大众、Volvo、International、IVECO等车企的跑车、商务车、重卡、专用车车型上成功应用。国内关于复合材料板簧的研究最早开始于同济大学，1985年，同济大学与上海汽车钢板弹簧厂合作开发出了GFRP板簧。目前比较知名的研究单位有株洲时代新材料科技股份有限公司、北京中材汽车复合材料有限公司、哈尔滨玻璃钢研究所等。另外，随着复合材料板簧在国内研究热度的提高，吉林大学、哈尔滨工业大学、武汉理工大学、哈尔滨工程大学、集瑞联合重工有限公司等科研单位与企业也陆续取得了大量成果。受制于成本、加工工艺水平以及设计水平的限制，国内复合材料板簧的研究目前还处在试验试制阶段，未见有大批量应用。这里值得一提的是，Volvo旗下的XC90与S90两款车型后悬架弹性元件采用横置复合材料板簧，并在国内上市，取代螺旋弹簧后有效地减轻了非簧载质量并提升了行李仓空间，虽然所搭载的复合材料板簧由德国Benteler制造并进口，但这将有助于提高国内用户对复合材料板簧的认知与认可程度，促进复合材料板簧在国内的推广。VolvoS90后悬架所搭载的复合材料板簧如图1.1所示。图1.1VolvoS90后悬架所搭载的复合材料板簧复合材料板簧结构设计与特性建模国内外研究现状复合材料板簧在钢板弹簧的基础上发展而来，其主要的匹配目标为替代钢板弹簧，因此国内外学者对复合材料板簧进行结构设计与特性建模时，既有与钢板弹簧相同之处，又由于复合材料的独特性而有不同之处。具体表现在以下几个方面：1.复合材料板簧材料结构设计对于制造钢板弹簧的弹簧钢来说，对其性能的要求有弹性极限、强度极限、屈强比等力学性能，抗弹减性能，疲劳性能，淬透性，耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等物理化学性能等，并要求其具有优良的冶金质量、良好的表面质量、精确的外形和尺寸。目前国内外学者对复合材料板簧进行材料设计时主要围绕力学性能提升的主题进行研究，关于蠕变性能（对应于抗弹减性能）、疲劳性能的研究还比较少；复合材料耐热、耐高低温、抗氧化、耐腐蚀等物理化学性能通过选材来保证；内部孔隙率（对应于冶金质量）、表面质量以及外形尺寸精度通过加工工艺来保证。与弹簧钢不同的是，对复合材料进行设计时，还考虑了制造成本、轻量化效果等因素。在国外，印度RGM工程技术学院的RaghavedraM等分析了将单片钢板弹簧材料分别替换为E玻纤/环氧树脂、S玻纤/环氧树脂以及碳纤维/环氧树脂以后得到的相同外形尺寸的复合材料板簧的性能，结果表明，复合材料板簧的应力降低47%，刚度增加25%~65%，固有频率增加27%~67%，重量减轻73%~80%，其中碳纤维/环氧树脂复合材料板簧的强度、刚度最高以及重量最轻[3]。伊拉克纳杰夫技术学院的IsmaeelLMA等对不同纤维的复合材料板簧的性能进行了对比分析，并指出增强纤维对复合材料结构的刚度起到决定性作用，为了获得更好的轻量化效果，减少制造的难度及成本，对于质量越大的商用车，复合材料板簧应采用拉伸模量越高的增强纤维制造[4]。印度纳盖科伊尔大学工程学院的VenkatesanM等对不同玻璃纤维纤维与环氧树脂比例的复合材料试样进行了对比研究，结果发现60%玻璃纤维/40%环氧树脂样件相比40%玻璃纤维/60%环氧树脂和30%玻璃纤维/70%环氧树脂试样具有更高的拉伸和弯曲应力值、变形能力以及固有频率，因此最适合作为制造复合材料板簧的材料[5]。还有学者对复合材料板簧使用碳纤维、自然纤维时的性能情况分别进行了研究。印度理工学院的SubramanianC等通过研究无纤维增强、20%质量分数的短纤维增强、20%质量分数长纤维增强的复合材料板簧在不用应力水平下的短期蠕变特性，验证了HRZ模型对于预测粘弹性工程产品短期蠕变行为的有效性，同时指出长纤维增强复合材料对于增强其抗蠕变性能有利[6]。葡萄牙科英布拉大学的FerreiraJAM等通过试验研究了铺层角度、温度对纤维增强树脂基复合材料疲劳性能的影响[7]；在国内，研究人员多选用单向纤维玻璃纤维/环氧树脂作为制造复合材料板簧的材料，关于材料设计的研究仅有少量的报道，如哈尔滨工程大学的杨俊杰制作了不同铺层角度的玻璃纤维/环氧、玻璃纤维/增韧环氧和碳纤维/增韧环氧层合板样件，对其力学性能及阻尼特性进行了对比研究[8]。郑州大学的铁瑛等基于Tsai-Hill强度理论，分析了铺层角度对含孔复合材料板的损伤的影响，结果表明0°铺层抗损伤能力最好，90°铺层抗损伤能力最差[9]。2.复合材料板簧宏观结构设计与性能研究复合材料板簧与钢板弹簧一样，除了要具有足够的承载能力以外，其隔振能力与耐久性也应满足装车要求，因此国内外学者围绕其静动态特性以及疲劳性能进行了大量研究。同时由于复合材料板簧结构的特殊性，国内外学者对复合材料板簧的接头结构的设计也进行了大量的研究。由于静态特性为复合材料板簧的基础性能，因此国外在对其研究时多采用有限元方法首先将其刚度为设计为与原钢板弹簧相等，然后将其应力与减重效果与钢板弹簧作对比，结果表明复合材料板簧相比钢板弹簧减重50%以上，应力低于钢板弹簧，如印度尼赫鲁工程学院的PatunkarMM等采用ANSYS10.0软件建立了E玻纤/环氧树脂等宽等厚式复合材料板簧模型，并将分析结果与钢板弹簧进行了对比，结果表明，复合材料板簧相比钢板弹簧减重84.40%，最后指出由于复合材料板簧抗崩裂性较差，因此适用于路况良好的道路[10]。此外还有部分学者将复合材料板簧设计为与原钢板弹簧外形尺寸相同，依此研究应用复合材料后板簧性能的变化情况，如印度PSG技术学院的KumarMS等制作了与钢板弹簧相同外形尺寸的E玻纤/环氧树脂多片式复合材料板簧，通过ANSYS7.1建立了复合材料板簧的有限元模型，并将分析结果与试验结果进行对比。与钢板弹簧相比，复合材料板簧的应力减小67.35%，刚度提升64.95%，固有频率提升126.98%，质量减少68.15%[11]。在复合材料板簧的动态特性研究方面，国外学者对复合材料板簧的耐冲击性能，瞬态响应、动刚度、模态等特性进行了研究。如印度泰戈尔工程学院的RajeshS等对尺寸相同、材料不同的复合材料板簧耐冲击性能进行了测试，研究表明增强纤维模量越大的复合材料板簧耐冲击性能越差[12]。英国雷丁大学的HouJP等对应用于铁路货运车辆的复合材料板簧的瞬态响应进行了有限元分析，并与通过振动测试平台所测得的结果进行了对比讨论；J.Y.Cherruault等的研究结果表明，复合材料板簧的动刚度小于钢板弹簧，有利于提高整车的平顺性[13]。印度SNS技术学院的SureshkumarM等研究发现复合材料板簧的模态频率是钢板弹簧的两倍，有利于降低悬架系统发生共振的概率[14]；另外，印度PSG技术学院的GulurSiddaramannaSS等和巴西德航工业研究所的Al-QureshiHA的研究成果也表明复合材料板簧的模态频率相比钢板弹簧更高[15][16]；奥地利维也纳科技大学的KrallS等通过对比碳纤维复合材料板簧分别采用锤击法和谱分析法时的模态试验测试结果以及理论计算结果，发现采用锤击法可更准确地测试复合材料板簧的模态[17]。在复合材料板簧疲劳性能方面，国外学者对采用不同材料的复合材料板簧的疲劳性能对比、失效形式、失效过程及其影响因素以及疲劳寿命的预测方法进行了深入的研究。如土耳其OlgunCelik公司的SonerM等对比研究了不同材料复合材料板簧的疲劳性能，结果表明碳纤维复合材料板簧的抗疲劳性能比玻璃纤维复合材料板簧、钢板弹簧更好[18]；波兰绿山大学的PapaczW等对复合材料板簧的失效形式、失效过程进行了研究，并分析了载荷对失效过程的影响[19]；印度理工学院的GebremeskelMSA设计了应用于轻型车的等宽等厚结构的复合材料板簧，采用手工铺层工艺制作了样件，并通过寿命数据分析的方法预测了其疲劳寿命[20]。还有部分学者研究了将钢板弹簧替换为等外形尺寸的复合材料板簧后疲劳性能的变化，如印度PSG技术学院的KumarMS等制作了与钢板弹簧相同外形尺寸的E玻纤/环氧树脂多片式复合材料板簧，通过寿命数据分析方法预测了其疲劳寿命[21]；马来西亚国家能源大学的KuehJJ等研究了将钢板弹簧的材料替换复合材料后板簧的静态特性及疲劳性能的变化情况，结果表明复合材料板簧的最大弯曲应力大幅降低，疲劳寿命相比钢板弹簧提高2~5倍，并且玻璃纤维/环氧树脂比玻璃纤维/乙烯树脂复合材料板簧疲劳性能更好[22]。由于复合材料板簧通常要通过金属接头安装在悬架系统中，因此国外学者对接头选型、强度、疲劳性能及其影响因素等进行了大量研究。如印度PSG技术学院的GulurSiddaramannaSS等指出复合材料板簧胶结结构的接头相比纯螺栓连接的接头在避免应力集中及分层破坏上更具有优势[15]；巴西德航工业研究所的Al-QureshiHA在对适用于吉普车的等宽抛物线复合材料板簧的研究中指出，螺栓连接的接头相比一体成型的接头的强度和生产效率更高[16]；英国雷丁大学的HouJP等针对应用于重载型铁路货运车辆的复合材料板簧的一体成型式接头结构进行了研究，结果表明，接头末端纤维与簧身分离的结构形式相比接头末端纤维与簧身连成一体的结构形式在抗分层破坏能力、静载能力和疲劳性能方面更具有优势[13]；爱尔兰利默里克大学的McCarthyCT等提出了一种采用有限元软件ABAQUS准确预测双搭接螺栓连接接头内应力分布的方法，并指出螺栓与孔壁的配合间隙对应力分布和连接破坏机理有着重要影响，在接头设计时应着重考虑[23]；印度理工学院SubramanianC等对纤维长度对接头疲劳性能的影响进行了研究，结果表明，在高周疲劳时，长纤维增强复合材料板簧接头的性能高于短纤维增强和无纤维增强板簧接头，而在低周疲劳时由于长纤维增强复合材料的缺口敏感性导致了相反的结果；此外，该学者还对短纤维增强聚丙烯复合材料板簧接头的静动态性能以及失效形式进行了研究，指出接头在低周疲劳时的破坏形式与静载破坏形式相似，为拉伸破坏与螺栓孔表面挤压破坏的组合破坏；高周疲劳时的破坏形式为剪出破坏与螺栓孔表面挤压破坏的组合破坏。并指出接头的承载强度与螺栓和孔壁之间的配合间隙密切相关，并且配合间隙越小，承载强度越高[24][25]。国内对复合材料板簧的研究多以应用为导向，多见于对复合材料板簧刚度强度等静态特性的研究，对动态特性的研究很少，对疲劳性能的研究也多基于试验，整体上处于刚起步阶段。在复合材料板簧的静态特性研究方面，国内学者对复合材料板簧的刚度预测、应力及强度分析方面做了大量的研究工作，并且近几年研究热度有增加的趋势。如哈尔滨玻璃钢研究所的赵洪斌等在汽车用纤维复合材料单片板簧的研制过程中采用理论理论方法建立了板簧刚度、应力与尺寸参数之间的关系模型，并以刚度为约束设计了板簧尺寸[26]；北京中材汽车复合材料有限公司的王大鹏等通过有限元分析了一种应用于某重型卡车的变宽变厚度等截面结构复合材料板簧的刚度及应力分布，并由刚度台架试验验证了分析的正确性[27]；吉林大学的柯俊等基于复合材料力学并结合钢板弹簧刚度的建模方法建立了复合材料板簧的刚度预测理论模型，并通过有限元及试验对模型的正确性进行了验证；此外该作者还根据钢板弹簧的设计理论结合有限元分析对复合材料副簧的刚度进行了匹配设计，并提出了复合材料副簧等效刚度的修调方法[28]；株洲时代新材料科技股份有限公司的王甲世等通过ABAQUS软件对复合材料板簧的刚度及最大承载能力进行了分析，并通过试验验证了分析结果的正确性[29]；湖南工业大学机械工程学院的丁智平等基于复合材料细观力学Mori-Tanaka方法，利用ABAQUS软件结合Digimat软件耦合计算平台对复合材料板弹簧的极限载荷进行了预报，极限载荷预测值与试验值偏差为5.1%，复合材料板弹簧的试验断裂位置与模拟预测的断裂位置基本一致[30]；中国重汽集团技术发展中心的高蕊等通过ABAQUS软件对含有复合材料副簧的商用车板簧总成的刚度以及空载制动、满载制动下板簧的强度进行了研究[31]。在复合材料板簧动态特性方面，国内多见于阻尼方面的研究，如洛阳工学院的郭红等研制了一种钢与复合材料夹层板弹簧结构，用粘弹仪测定了材料损耗因子[32]；哈尔滨工程大学的杨俊杰针对用于某小型无人机起落架的复合材料板簧，建立了复合材料板簧结构阻尼分析有限元模型，并探讨了复合材料板簧结构阻尼的影响因素[8]；吉林大学的高博从复合材料的阻尼机理出发，通过有限元方法研究了复合材料板簧的阻尼及其影响因素，并通过试验对复合材料板簧的阻尼进行了研究，最终提出了复合材料板簧悬架系统阻尼匹配的方法[33]。在复合材料板簧疲劳性能方面，国内学者进行了大量的试验研究，并研究了复合材料板簧疲劳寿命的估计方法及失效形式，研究结果均表明复合材料板簧的疲劳性能明显优于钢板弹簧。如同济大学的陶建新在1987年研制成功了单片等宽度变厚度型复合材料板簧，其疲劳寿命达到50万次，并建立了疲劳寿命预估公式与刚度下降模型，与试验结果吻合较好[34]；武汉理工大学的李宇菲采用ANSYS软件对板簧的疲劳寿命进行了预测，但疲劳寿命结果偏大且无试验验证[35]；中国一汽技术中心的王莉等对重型牵引车所用的等宽变厚型玻璃纤维增强塑料板簧进行研究，从台架试验结果看，复合材料板簧的寿命至少是少片钢板弹簧的2倍，分层断裂及簧体端部挤压-剪切撕裂是其主要的失效模式[36]。在复合材料板簧接头设计方面，国内学者对接头的结构、强度等方面进行了大量研究。在中间接头设计方面，为了保护簧身不被磨损及挤压损伤，部分研究学者在复合材料板簧簧身与中间金属接头接触的部位之间设置了橡胶结构，但此类结构中橡胶结构的挤压疲劳寿命容易成为板簧总成疲劳寿命的短板，限制复合材料板簧的疲劳性能；一些学者为了在避免在复合材料板簧簧身上钻孔的前提下可靠地传递纵向载荷，在复合材料板簧成型时于簧身上下表面设置了凸起结构，从而提高了中间接头连接的可靠性。在端部接头设计方面，研究人员对接头的连接方式及结构进行设计以提高连接的可靠性，如哈尔滨玻璃钢研究所的赵洪斌等将端部接头连接方式设置为胶接和铆接结合的方式，以克服两种连接方法各自的缺点[26]；安徽江淮汽车集团股份有限公司的陈云等将板簧本体两端与金属卷耳设置为楔形结构连接，可降低卷耳重量，并且即使取消粘结也能保证连接的可靠性[37]；也有学者对端部接头的强度进行了研究，如同济大学的董国华等对端部接头连接的强度安全系数进行了研究，并分析了各类型接头结构形式的优缺点和适用范围[38][39]；武汉理工大学的沈帆等通过试验研究了螺栓拧紧力矩对不同铺层结构的连接静强度的影响，并指出适当地增加拧紧力矩可以提高接头的静强度[40]。综上所述，国内外学者在复合材料板簧的结构设计与特性建模方面已经取得了大量的研究成果，但仍然存在以下问题：(1)对复合材料板簧特性建模时多基于有限元和试验的方法，而很少采用理论方法，导致了复合材料板簧特性计算周期长，延长了复合材料板簧设计开发周期，并且对后续的设计参数优化工作造成了困难。(2)对复合材料板簧的疲劳性能研究时，没有明确的疲劳性能设计理论，缺少疲劳性能的优化设计方法。参考文献王望予.汽车设计（第4版）[M].机械工业出版社,2004.10-11.SatoN,KurauchiT,KamigaitoO.Materialimprovementandqualityassuranceforcompositeleafspringsbasedonmicrofracturemechanism[J].Journalofcompositematerials,1992,26(9):1240-1253.RaghavedraM,HussainSA,PandurangaduV,etal.ModelingandanalysisoflaminatedcompositeleafspringunderthestaticloadconditionbyusingFEA[J].InternationalJournalofModernEngineeringResearch(IJMER),2012,2(4):1875-1879.IsmaeelLMA.Optimizationandstaticstressanalysisofhybridfiberreinforcedcompositeleafspring[J].AdvancesinMaterialsScienceandEngineering,2015,2015(8):1-13.VenkatesanM,GandhiVCS,JanarthanE.Performanceanalysisofcompositeleafspringinadefencesumovehicle[J].JournalofEngineeringScience&Technology,2015,10(5):680-691.SubramanianC,SenthilvelanS.Short‐termflexuralcreepbehaviorandmodelanalysisofaglass‐fiber‐reinforcedthermoplasticcompositeleafspring[J].JournalofAppliedPolymerScience,2011,120(6):3679-3686.FerreiraJAM,CostaJDM,ReisPNB,etal.Analysisoffatigueanddamageinglass-fibre-reinforcedpolypropylenecompositematerials[J].CompositesScienceandTechnology,1999,59(10):1461-1467.杨俊杰.树脂基复合材料板簧结构阻尼性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2010.铁瑛,徐平,李成.不同铺层角含孔复合材料板的损伤研究[J].应用力学学报,2014,31(1):156-161.PatunkarMM,DolasDR.ModellingandAnalysisofCompositeleafspringunderthestaticloadconditionbyusingFEA[J].InternationalJournalofMechanical&IndustrialEngineering,2011,1(1-2011):1-4.KumarMS,VijayaranganS.Staticanalysisandfatiguelifepredictionofsteelandcompositeleafspringforlightpassengervehicles[J].JournalofScientific&IndustrialResearch,2007,66(2):128-134.RajeshS，BhaskarGB.Responseofcompositeleafspringstolowvelocityimpactloading[J].Appliedmechanicsandmaterials，2014，591:47-50.HouJP,CherruaultJY,JeronimidisG，etal.Design,testingandsimulationoffibercompositeleafspringsforheavyaxleload[J].JournalofStrainAnalysisforEngineeringDesign，2005，40(6):497-504.SureshkumarM，TamilselvamP，KumaravelanR，etal.Design，fabricationandanalysisofahybridfibercompositemonoleafspringusingcarbonandE-glassfibersforautomotivesuspensionapplications[J].MechanicsofCompositeMaterials,2014,50(1):115-122.GulurSiddaramannaSS,VijayaranganS.Monocompositeleafspringforlightweightvehicle–design,endjointanalysisandtesting[J].MaterialsScience,2006,12(3):220-225.Al-QureshiHA.Automobi