多片鋼板彈簧計算機輔助快速設(shè)計技術(shù)研究

方香，楊運澤，姚春革，楊孟杰，韋祥禮

（1.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西桂林541004；2.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西桂林541004）

多片鋼板彈簧計算機輔助快速設(shè)計技術(shù)研究

方香1，楊運澤1，姚春革2，楊孟杰1，韋祥禮1

（1.桂林電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院，廣西桂林541004；2.桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院，廣西桂林541004）

針對傳統(tǒng)多片鋼板彈簧設(shè)計周期長、建立精確力學(xué)模型難的問題，根據(jù)多片鋼板彈簧的參數(shù)設(shè)計方法，在SolidWorks中建立多片鋼板彈簧參數(shù)化主模型，然后借助VC++語言，對SolidWorks進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了鋼板彈簧的計算機輔助快速設(shè)計。最后，應(yīng)用接觸理論添加接觸單元，模擬鋼板彈簧間的摩擦，計算鋼板彈簧的剛度。結(jié)果表明：仿真計算剛度值和理論計算剛度值吻合較好。

多片鋼板彈簧；接觸單元；計算機輔助快速設(shè)計；剛度分析

長期以來，傳統(tǒng)的鋼板彈簧設(shè)計有兩大缺陷：

第一，鋼板彈簧設(shè)計必須經(jīng)歷初選參數(shù)、試制、試驗、修改設(shè)計的模式，所以設(shè)計周期長且成本浪費大，效率低；

第二，傳統(tǒng)鋼板彈簧的設(shè)計計算大都基于材料力學(xué)的小撓度梁的線性理論，且忽略彈簧間接觸和摩擦力的影響，因此計算結(jié)果和試驗結(jié)果相差較大[1]。

為了解決上述問題，本文首先結(jié)合傳統(tǒng)鋼板彈簧設(shè)計方法提出了一種應(yīng)用SolidWorks二次開發(fā)的多片簧計算機輔助快速設(shè)計方法，可以快速的根據(jù)用戶要求設(shè)計出需要的模型。同時應(yīng)用有限元技術(shù)，考慮其大變形小應(yīng)力的特性、接觸狀態(tài)和摩擦情況對板簧剛度進分析計算，旨在縮短多片簧設(shè)計周期，提高設(shè)計精度[2-4]。

1 多片鋼板彈簧設(shè)計參數(shù)

通常情況下，工程中廣泛應(yīng)用共同曲率法作為鋼板彈簧設(shè)計計算方法，其主要設(shè)計參數(shù)有如下幾個：多片鋼板彈簧所受載荷Fw、主片長度L、靜撓度fc、動撓度fd、滿載弧高fa、片數(shù)n等[4]。

2 多片鋼板彈簧計算機輔助快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

2.1 基于參數(shù)化的計算機輔助快速設(shè)計原理

計算機輔助快速設(shè)計技術(shù)是實現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計的一種重要方法，在系列化產(chǎn)品設(shè)計中得到較好的應(yīng)用。基于參數(shù)化的計算機輔助快速設(shè)計是指基于原有零部件或產(chǎn)品，通過把設(shè)計準則與工程規(guī)范具體化，并構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，建立參數(shù)傳遞關(guān)系表達式，最終實現(xiàn)改變某些參數(shù)和尺寸關(guān)系，得到與原有零部件或產(chǎn)品相似的零部件或產(chǎn)品的設(shè)計方法[5]。

2.2 多片簧計算機輔助快速設(shè)計系統(tǒng)實例

根據(jù)上述多片簧設(shè)計參數(shù)和計算機輔助快速設(shè)計原理，現(xiàn)以某型號鋼板彈簧為例，驗證所開發(fā)出的原型系統(tǒng)對鋼板彈簧計算機輔助快速設(shè)計是否可行。

在進行變型設(shè)計時，將VC++開發(fā)出的插件嵌入到SolidWorks軟件中。單擊界面的“打開”按鈕，系統(tǒng)會自動打開鋼板彈簧原始模型。設(shè)計人員可根據(jù)不同的工程需求，在界面上輸入不同的參數(shù)組合，單擊“OK”按鈕，系統(tǒng)會在后臺自動更新生成符合不同工程需求的鋼板彈簧模型。通過對比分析可知，變型后板簧的尺寸與理論設(shè)計尺寸一致，且計算剛度為147.8 N/mm，符合設(shè)計要求，從而驗證了該方法的可行性。變型后的多片簧模型如圖1所示。

圖1 變型后的多片簧模型

3 基于接觸摩擦理論的多片簧剛度分析

3.1 多片簧有限元模型

本文采用HyperMesh和ANSYS軟件相結(jié)合的方法。首先在SolidWorks中將變型設(shè)計得到的多片簧模型轉(zhuǎn)化為IGES格式，然后將HyperMesh中的用戶接口設(shè)置為ANSYS模式，將IGES格式的多片簧模型導(dǎo)入HyperMesh中，用映射方法將多片簧劃為六面體網(wǎng)格，其網(wǎng)格如圖2所示。本文采用8節(jié)點實體單元SOLID185，將實常數(shù)EN Type也設(shè)置為SOLID185.多片鋼板彈簧材料為60CrMnBa，其材料性能如表1所示。

圖2 多片鋼板彈簧網(wǎng)格劃分

表1 SOLID185單元材料特性

本文采用面-面接觸的接觸單元來模擬簧片間的接觸，由于該鋼板彈簧由7片彈簧片構(gòu)成，因此整個板簧共定義了6個接觸對，每一對包含1個目標面和1個接觸面。定義凹面為目標面，凸面為接觸面，簧片間的接觸為柔性面對柔性面的接觸，可采用其提供的TARGET170和CONTA173這兩種三維接觸單元來定義接觸對，建立模擬片間的接觸作用[6]。3.2仿真計算

本文只考慮垂直主載荷，不涉及橫向和扭轉(zhuǎn)工作力，因此加載可以分多步完成。由于鋼板彈簧有限元模型也是離散的，需要把簧片裝配起來，以模擬實際的裝配過程，因此第一個載荷步用于模擬鋼板彈簧的裝配。首先在第一片的底面中央定義垂直位移為0，同時定義最后一片頂面中央有垂直方向的位移，其大小為自由狀態(tài)下各簧片之間間隙的總和。第二個載荷步模擬加載的過程，在第一片鋼板彈簧端部施加載荷P=15 000 N，均勻分10個子步加載。圖3和圖4為10 500 N的應(yīng)力云圖和位移云圖，圖5和圖6為15 000 N的應(yīng)力云圖和位移云圖。

圖310 500 N應(yīng)力云圖

圖410 500 N位移云圖

圖5 15 000 N應(yīng)力云圖

圖615 000 N位移云圖

從圖6可以得出，隨著載荷的增加，最大應(yīng)力也在增加，即當所加載荷為15 000 N的載荷時，應(yīng)力最大，但都在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，由此說明鋼板彈簧滿足強度要求。鋼板彈簧的彈性特性曲線如圖7所示。

圖7 多片簧彈性特性曲線

從圖7中可以看出，在加載過程中，鋼板彈簧的靜剛度基本為線性變化，計算靜剛度平均值為144.9 N/mm，該型號鋼板彈簧的設(shè)計剛度要求為（150±10）N/mm，兩者相比較，誤差為3.31%，在允許誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

（1）本文在分析多片鋼板彈簧參數(shù)設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一個實用的多片簧計算機輔助快速設(shè)計系統(tǒng)，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期。

（2）利用HyperMesh前處理軟件，為建立有限元模型提供了便利，應(yīng)用接觸摩擦理論方法，在各片彈簧間添加接觸單元，通過設(shè)置接觸參數(shù)，來模擬鋼板彈簧片間的摩擦，提高鋼板彈簧的設(shè)計精度。

（3）對比鋼板彈簧設(shè)計值和仿真值，兩者相對誤差僅為3.31%，充分證實了基于接觸理論的多片鋼板彈簧有限元仿真計算的可信性。

[1]張寧.汽車鋼板彈簧設(shè)計[D].吉林：吉林大學(xué)，2007.

[2]鄭銀環(huán).汽車鋼板彈簧計算模型研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2005.

[3]鄒海榮，黃其柏.國內(nèi)外汽車鋼板彈簧設(shè)計與分析方法的發(fā)展進程[J].上海汽車，2004（7）：37-39.

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[6]周水庭，黃紅武，付建朝，等.基于接觸摩擦的變截面鋼板彈簧懸架性能分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，40（5）：44-48.

Research on Computer Aided Rapid Design Technology of Multi-leaf Spring

FANG Xiang1，YANG Yun-ze1，YAO Chun-ge2，YANG Meng-jie1，WEI Xiang-li1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China；2.Institute of Information Technology of GUET，Guilin Guangxi 541004，China）

Aimed at the issues of long design cycle and difficult mechanical model of traditional multi-leaf spring，according to the parameterization design of multi-leaf spring，this paper firstly creates master model in Solid－Works.And then secondary development in SolidWorks is carried out with the help of VC++language to realize the computer aided rapid design of leaf spring.Finally we apply contact theory to add the contact elements，simulate the friction between the leaf springs，and compute the stiffness of the leaf spring.The analysis shows that the stiffness value obtained from simulation is in accordance with computing value on theory.

multi-leaf spring；contact theory；rapid design of computer aided；stiffness analysis

TP391.9

A

1672-545X（2017）03-0019-03

2016-12-13

廣西壯族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：201510595243）；2016廣西創(chuàng)優(yōu)計劃項目資助；柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)項目（編號：2015A010501）

方香（1994-），女，廣西貴港人，本科，主要研究方向：機械工程；楊孟杰（1987-），女，河南許冒人，碩士研究生，主要研究方向：現(xiàn)代設(shè)計及制造技術(shù)，CAD/CAM.