汽車減震器彈簧盤疲勞仿真分析

2016-11-07  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

汽車構(gòu)件中減震器彈簧盤易受疲勞破壞,影響汽車的使用,而對其展開整車試驗并不合理。
本文基于有限元疲勞分析的方法建立減震器彈簧盤的力學(xué)有限元模型,在Workbench 平臺下進行應(yīng)力及疲

勞仿真分析,在修正理論下對彈簧盤的薄弱之處做出新的優(yōu)化設(shè)計,最后的疲勞壽命預(yù)測證明了此優(yōu)化結(jié)構(gòu)的切實有效性。

在設(shè)計汽車構(gòu)件時,一般不僅僅考慮其能承受的極限拉伸強度,因為,在汽車行駛的使用過程中,各種交變荷載并存,對汽車構(gòu)件反復(fù)作用,即使交變荷載遠低于極限強度,在這種交變反復(fù)的作用下,構(gòu)件有可能出現(xiàn)裂紋、拉伸甚至破壞斷裂,這就是經(jīng)常所說的疲勞破壞。而彈簧盤在車輛減震器結(jié)構(gòu)中是起支撐彈簧的作用,必然因擠壓受到較大的交變荷載。其作為減震器中重要的零件之一,疲勞破壞的可能性大大增加,可靠耐久性直接關(guān)系到汽車行駛的穩(wěn)定性與安全性。對車輛減震器研制與測試中,需要大量的構(gòu)件實驗和整車耐久試驗,不僅消耗大量的財力物力人力,而且時間又長,所以需通過疲勞分析,提前分析結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),來減少疲勞試驗。本文通過建立彈簧盤力學(xué)模型,在Workbench 軟件的協(xié)同仿真環(huán)境下,運用有限元方法分析不同交變荷載狀態(tài)下彈簧盤疲勞強度,并對其疲勞壽命進行預(yù)測實驗,試做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

根據(jù)荷載類型的不同,可以把疲勞分析大致分為靜態(tài)疲勞分析、動態(tài)疲勞分析以及瞬間疲勞分析。通常當結(jié)構(gòu)的一階固有頻率大于3 倍荷載頻率時,就可采用靜態(tài)疲勞分析方法;如果荷載頻率和原有構(gòu)件的固有頻率相接近時則采用動態(tài)疲勞分析方法;瞬間疲勞分析方法針對于隨機荷載作用下的構(gòu)件疲勞分析。而在靜態(tài)疲勞分析中又可細分包含準靜態(tài)疲勞分析,本文通過有限元的理論分析建立彈簧盤的有限元模型,驗證此分析方法。

2.1 建立有限元模型

在分析之前,需要建立構(gòu)件分析的模型,創(chuàng)建彈簧盤有限元模型一般有兩種方法,一種是直接在文中提到的ANSYS-Workbench 環(huán)境下創(chuàng)建有限元模型,這種方法主要適用建立一些簡單的模型。另外一種方法是對與彈簧盤等復(fù)雜結(jié)構(gòu)類似的復(fù)雜構(gòu)件從CAD模型讀入,利用CAD 軟件三維取圖建模,并保存為.x_t 格式然后導(dǎo)入到Workbench 平臺進行構(gòu)件分析。定義彈簧盤屬性時材料為冷軋鋼板2.0GB/T708-88,其彈性模量E 為210Gpa,泊松比0.3,屈服極限和強度極限分別是221Mpa 和300Mpa。當把三維模型

導(dǎo)入Workbench 平臺后,需進行一個重要環(huán)節(jié)—網(wǎng)格劃分,劃分越細結(jié)果越精確?？梢岳肳orkbench平臺默認值劃分。

2.2 準靜態(tài)有限元疲勞分析

此種疲勞分析方法適用于牽動荷載頻率遠低于所受力分析構(gòu)件的自然固有頻率之下。這時應(yīng)力狀態(tài)可以由通過疊加多個不同靜態(tài)荷載的方式來模擬完成。此時,需要定義一組完善的靜態(tài)荷載,然后實測或分析得到與其對應(yīng)的荷載譜,按下面式子對彈性應(yīng)力應(yīng)變進行計算:

由上述文中建立有限元模型并進行計算,選擇Goodman 理論進行平均應(yīng)力修正,再結(jié)合疲勞壽命圖和等效應(yīng)力云圖,可知疲勞損傷以及應(yīng)力集中區(qū)在凸包處。由分析知需對彈簧盤的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。首先,我們通過增加彈簧盤的厚度來提高鋼板強度。其次,由結(jié)果知需降低凸包區(qū)域的水平應(yīng)力大小,所以結(jié)構(gòu)上應(yīng)該有所改變。我們試著將凸包區(qū)域面積擴大,讓其各部接觸面落差變小使得過渡區(qū)域更為圓滑,這樣可以減少應(yīng)力集中的現(xiàn)象。在Workbench 環(huán)境下仿真分析結(jié)果顯示設(shè)計滿足要求。

優(yōu)化后,為進一步確認新結(jié)構(gòu)結(jié)果的正確性,需做比較試驗。此實驗所用設(shè)備為電液伺候動靜萬能試驗機,每組試樣4 個,各豎向加載為620 到6200N,。加載的頻率2HZ,調(diào)試試驗當加載達到6200N 時疲勞壽命可達到預(yù)期目標130000 次。分別做了幾組疲勞測試,先前的彈簧盤疲勞壽命分別為11.5 萬次10.2 萬次12.8 萬次和11.7 萬次,而優(yōu)化結(jié)構(gòu)后的彈簧盤疲勞壽命分別為18.9 萬次19.8 萬次18.2 萬次以及17.5 萬次。結(jié)果表明,先前彈簧盤疲勞值較低,由此可知疲勞損傷集中于凸包區(qū)域并且厚度有待增加,據(jù)此做出的優(yōu)化結(jié)構(gòu)滿足強度設(shè)計要求,更不易發(fā)生疲勞損傷。

本文在Workbench 基礎(chǔ)上通過有限元建模對汽車減震器進行仿真分析,通過強度和疲勞壽命分析確定彈簧盤的結(jié)構(gòu)不足所在,提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進方案,并驗證其正確性。望對結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進、減少實驗費用等有所意義。

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