少片變截面鋼板彈簧的疲勞壽命分析＊

（重慶理工大學，重慶 400050）

1.少片變截面鋼板彈簧的應力分析

1.1 少片變截面鋼板彈簧的幾何模型

根據某公司的產品，該少片變截面板簧由三片變截面式鋼板組成，裝配體的幾何模型導入MD Patran中如圖1所示。

圖1 幾何模型

1.2 網格劃分

對少片變截面鋼板彈簧采用實體單元；考慮板簧的結構細節，其應力集中、非線性、大變形的特點，采用精度較好、注重幾何細節的8節點六面體單元；由于存在截面尺寸變化的，故每片簧采用3層網格劃分，板簧單片高為25mm，寬度方向100mm。劃分好的網格如圖2所示，總共有34588個六面體單元[1]。

圖2 網格模型

1.3 材料屬性

根據產品圖紙，該少片簧材料為50CrVA，熱處理溫度中淬火溫度為1120T，回火溫度為770T，淬火介質是油；力學性能：抗拉強度1275 (N/mm2)，屈服強度1130(N/mm2)，斷面收縮率20%[2]。

1.4 載荷及邊界條件的確定

根據鋼板彈簧的安裝要求與工作特點，規定其在卷耳的兩端處只沿X方向移動，固定其YZ方向的移動；在模型的中間位置只沿Y軸移動，固定其XZ方向的移動[3]。

采用MPC約束，預定接觸區域內的單元全定義為接觸體，采用deformable body，接觸算法選用增強的拉格朗日法；摩擦采用庫侖模型，摩擦因數取0.1。求解器為sol600，設置30步的時間增量步。每增量步迭代次數設為20。在所有邊界條件及載荷設置完成之后，提交Nastran進行計算。

1.5 應力云圖及分析

由應力云圖（圖3）可知，少片變截面鋼板彈簧的應力從中間向兩端先逐漸增大后逐漸減小，最大值為1330MPa，卷耳處的應力約在300MPa左右，都滿足材料的許用應力要求。

圖3 應力云圖

2.少片變截面鋼板彈簧疲勞仿真分析

對于車用鋼板彈簧來說，由于經歷的載荷循環次數較多，一般采用應力作為疲勞性能的控制參量[4]。

板簧Y方向強制位移的確定，根據鋼板彈簧實驗的國家標準GB/T 19844-2005，各片中部不等厚的少片變截面鋼板彈簧：

式中：

ΣI0—根部總慣性矩；

Le— 鋼板彈簧有效作用長度； Le=L-as

（s為U型螺栓夾緊距離，a為無效長度系數，一般取0.5)

F'夾—總成夾緊剛度，F'夾=(L/Le)3×F'自

F'自—板簧自由狀態下的理論計算剛度。

3.疲勞試驗驗證

3.1 試驗方法與設備

目前企業基于2005年7月發布的GB/T 19844-2005標準，采用的疲勞試驗項目是垂直負荷下的疲勞試驗。試驗采用的疲勞試驗機如圖4所示。

圖4 疲勞試驗機

3.2 試驗結果

根據上述試驗方法，疲勞試驗在13.6萬次后，第一片發生斷裂，斷裂部位為距中心孔122.2mm的位置。斷口形貌如圖5所示。表1為仿真計算結果和試驗結果的對比[5]。

圖5 斷裂形貌

表1 仿真計算結果和試驗結果對比

以上分析可知，計算疲勞壽命和試驗疲勞壽命在預測斷裂位置時具有比較高的精度，在預測斷裂前的疲勞壽命時，誤差率為14.71%。考慮到疲勞分析的特殊性，此誤差率能夠達到預期。

4.結語

（1）通過對少片變截面鋼板彈簧強度進行仿真分析，得到其應力從中間向兩端先增大后減小的變化趨勢，都滿足材料的許用應力要求。

（2）由疲勞壽命云圖可知，板簧發生破壞時的載荷循環次數為11.6萬次；斷裂位置最容易發生在距離板簧中心安裝點為116.1mm～145.4mm處，該處正是簧片應力最大的地方。

（3）根據國家標準GB/T 19844-2005進行疲勞疲勞壽命試驗，其結果與有限元分析結果基本一致，說明仿真分析正確可行。