某輕型車復合材料板簧結構設計分析＊

李玉平，肖志遠

（中航復合材料有限責任公司，北京 101300）

美國Hyperco公司早在20世紀80年代就研制出復合材料板簧，用于雪佛蘭車上。英國GKN公司的纖維增強塑料（FRP）板簧于1985年起大量生產。第一個復合材料板簧的實樣用于英國制造的7.5 t載重車。與等效的變截面鋼板彈簧相比，復合材料板簧的質量減輕了50%，而與等效的多片板簧相比，則減輕65%.復合材料板簧的平順性和噪音衰減性均優于鋼板彈簧。“安全斷裂”是復合材料板簧特有的優點，所謂“安全斷裂”，就是嚴重超載時，復合材料板簧將沿長度方向分層開裂，這時它的剛度將降低，但仍可使車軸的位置保持不變，因而車子仍能安全行駛到修理廠。

1 設計參數

復合材料板簧采用單片板簧結構形式，好處在于容易達到需要的設計剛度并減輕質量，并可避免多片板簧之間的摩擦，結構簡單，易于裝配和維護。復合材料板簧總成包括復合材料板簧本體、兩端連接卷耳、中部金屬加載盒、尼龍墊片、連接板簧本體和卷耳的螺栓等。卷耳是連接復合材料本體與車架的金屬部件；加載盒是連接復合材料本體與車橋的金屬部件；尼龍墊片設置于復合材料本體與金屬加載盒之間，以防止復合材料板簧與金屬加載盒相互磨損。

圖1 復合材料板簧總成

圖1為復合材料板簧總成，圖中x，y，z是板簧的計算和鋪層坐標系方向。該板簧計算有4種載荷工況，即滿載、最大靜載、轉向、制動工況，所用材料為快速固化的玻璃纖維增強環氧樹脂基復合材料。

載荷工況、設計參數及材料參數見表1至表4.

表1 載荷工況（單位：kN）

表2 設計參數

表3 復合材料板簧有限元計算材料取值

表4 材料強度許用值

上述表中，E1，E2分別指1向、2向彈性模量；v12指1向、2向泊松比；G12指1向、2向剪切模量；X1、Y1分別指1向拉伸強度、壓縮強度；X2，Y2分別指2向拉伸強度、壓縮強度。

2 結構參數的確定和選取

復合材料板簧采用等寬度、等強度設計，保證板簧沿軸線各截面具有相同的強度（應力），以此來保證板簧具有較輕的質量。通過模型簡化，給定設計限定應力，可以對板簧的厚度、剪應力、位移等進行解析求解。經過多輪參數比較，可以給出一個相對優化的設計結果，并作為有限元分析的輸入，進行多次迭代分析驗證。

圖2為最終優化后的板簧厚度變化曲線（板簧厚度沿YZ面對稱，因此只顯示半個板簧數據）。

圖2 板簧厚度變化曲線

剛度設計：板簧總成剛度K＝F/D，即作用力大小與力作用點位移的比值。在強度設計過程中選取合適的截面積和截面厚度，使剛度K滿足要求。

3 建模和有限元分析計算

依據理論設計得到的結果，使用CATIA進行三維建模，如圖3所示，并用Abaqus進行有限元分析計算，見圖4.有限元分析校核最大靜載、制動、轉向3種工況下的板簧強度。

圖3CATIA三維模型

圖4 有限元模型

各個工況的有限元分析結果顯示，設計結果是符合設計要求的，如表5至表7所示。滿載工況下，應力水平較低，沒有列出。

表5 最大靜載工況計算結果（單位：MPa）

表6 制動工況計算結果（單位：MPa）

表7 轉向工況計算結果（單位：MPa）

圖5為板簧總成的位移分布圖。從圖中Z向位移分布圖中可以看出，中央位移最大為67.6 mm，總載荷為10.343 kN，得到有限元計算結果剛度為K＝F/D＝10 343 N/67.6 mm＝153 N/mm。

圖5 板簧總成的位移分布圖

4 加工和試驗

制訂工藝方案時，進行了相應的工藝成型方法對比研究。根據成熟的制造工藝，進行了包括RTM、熱壓罐成型、模壓成型的對比工藝試驗研究。經過前期成本、成型質量、制造效率等綜合比較，采用了模壓成型工藝，材料選擇快速固化材料，固化溫度130℃，固化壓力3 MPa，固化時間30 min。

4.1 靜載剛度試驗

試驗所得板簧平均剛度為148 N/mm，有限元計算剛度為153 N/mm。圖6為剛度試驗結果。

圖6 剛度試驗結果（位移-載荷）

圖7 臺架試驗

從圖6可以看出，剛度計算結果與試驗結果相差約3.3%，剛度相差不大。

4.2 疲勞強度試驗

以3 Hz頻率對板簧樣品進行循環加載，最大載荷16 550 N，最小載荷3 422 N，進行了3根板簧的疲勞試驗，臺架試驗如圖7所示。

5 結論

根據樣件的臺架試驗結果，復合材料板簧剛度的有限元計算結果與試驗結果匹配良好。疲勞試驗達到100萬次無破壞，剛度損失未超過1%.