基于有限元分析的高分子材料板簧压板研究

陈中旺，李善益

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥）

基于有限元分析的高分子材料板簧压板研究

陈中旺，李善益

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥）

汽车轻量化设计已经成为我国汽车工业一个主要发展方向，轻质材料和降重新技术广泛运用在零部件设计中；文章利用ABAQUS6.10软件对高分子材料与金属件结合的板簧压板建立有限元模型，采用模拟平衡悬架实际使用工况进行有限元分析，得出满足可靠性能的高分子材料板簧压板模型。

板簧压板；高分子材料；轻量化；ABAQUS6.10

CLC NO.: U462.2 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-05-02

引言

板簧压板与骑马螺栓共同作用，将钢板弹簧总成固定在桥上，使桥和钢板弹簧共同起承载作用；同时压紧钢板弹簧总成，可以提高钢板弹簧总成刚度，提高板簧承载力，防止板簧从中心螺栓孔处断裂。目前板簧压板主要采用金属材料，如铸铁和铸钢等，而金属材料密度大，压板整体相对较重，增加了悬架系统的整体重量以及装配困难。

高分子材料因具有较高的力学性能、材料密度小、优良的耐磨性、理想的减振降噪性能以及良好的自润滑性等的特点，广泛运用于轨道交通、汽车、工程机械、矿山机械等运输行业。

1、课题说明

1.1 课题来源和目标

根据某型牵引车钢板簧压板以塑代钢项目安排，新材ABU对钢板簧压板进行轻量化产品替换设计，要求分析车辆在颠簸路面行驶时，受150kN的向上载荷之后，塑料钢板簧压板结构的应力情况。

1.2 技术输入描述

计算工况载荷为150kN。

1.3 技术输入文件

产品设计图纸及3D模型。

2、钢板簧压板计算分析模型描述

2.1 基本假设

1）本分析是静态加载条件下的仿真分析，不考虑加载速度；

2）在不影响关注部位的应力分布及应力趋势的前提下，对模型一些尖锐结构进行几何简化。

2.2 几何模型

钢板簧压板几何模型如图所示：

图1 钢板簧压板几何模型

2.3 计算模型

1）单位系统

本有限元分析运用ABAQUS6.10软件进行计算。本文及分析中所采用的单位系统为SI（mm），即mm、N、MPa，此报告文字及图片中出现的任何数字，如果未注明，都采用此单位系统。

2）有限元模型单元使用

钢板簧压板塑料结构和金属嵌件结构采用C3D10单元类型，嵌件和塑料结构单元共节点，U型螺栓结构采用C3D8R单元类型，板簧结构简化为刚性面结构元，采用R3D4单元类型，模型有152879个单元，网格模型如下图所示：

图2 钢板簧压板有限元模型

3）材料参数

有限元计算所用材料参数见表1，由ABU提供。

表1 材料参数

注：ABU未提供塑料材料泊松比参数，故取常用值，计算结果仅供参考。

2.4 边界条件

U型螺栓和钢板簧压板采用接触设置，钢板簧压板静强度分析边界条件如下图所示,U型螺栓底部固定约束，对板簧刚性体施加150kN向上的力载荷：

图4 钢板簧压板加载边界条件

3、钢板簧压板计算结果

1）板簧压板塑料结构MISE应力云图

2）板簧压板嵌件结构MISE应力云图

图5 钢板簧压板应力分布云图

由于重点关注塑料结构应力情况，故图5-1中，将钢板簧压板的金属嵌件略去，只显示塑料结构的应力云图；图5-2为金属嵌件MISE应力云图，其中图5-2中的图b，将嵌件结构中小于365MPa（45#钢屈服极限）的应力值，用灰色渲染。

由图5-1的MISE应力可知，加载后，U型螺栓、嵌件和压板塑料结构体三者交汇的位置，应力相对较大，MISE应力约为48MPa。由图5-2的MISE应力可知，加载后，U型螺栓和金属嵌件接触的位置，即图5-2中的图b中，红色渲染部分，应力较大，超过45#钢屈服极限，主要原因是过渡边缘未设计倒圆。

4、后簧上压板轻量化性能对比

表2 后簧上压板轻量化性能变化对比表

5、结论

本分析计算了钢板簧压板在给定150kN工况下应力分布情况。可知，钢板簧压板塑料结构最大MISE应力在U型螺栓、嵌件和压板塑料结构体三者交汇的位置，约48MPa。动载1.5系数时，应力为72MPa，安全系数是3.4。因此，整体设计满足使用要求。

[1] 王望予.汽车设计.机械工业出版.2013.

[2] 申晋宪,王铁.载货汽车总体设计分析.中国标准出版社.2013.

[3] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS6.10.机械工业出版社.2006.

[4] 刘鸿文.材料力学.高度教育出版社.

Based on finite element analysis of polymer plate spring clamp

Chen Zhongwang, Li Shanyi
( Anhui Jianghuai Automobile group Co. Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Automotive lightweighting design has become our country automobile industry one of the main development direction, lightweight materials and drop technology is widely used in the parts design; Using ABAQUS6.10 software a combination of polymer material and metal plate spring plate finite element model is established, simulated balance suspension actual use condition in finite element analysis, it is concluded that meet reliable performance of high polymer material plate spring pressure plate model.

Spring plate; Polymer materials; Lightweight; ABAQUS6.10

U462.2

A

1671-7988 (2017)10-05-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.002

陈中旺，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。