復合材料板簧強度分析與驗證

徐余平

摘 要：對復合材料板簧進行沖擊、制動等工況的強度分析，以及沖擊工況的臺架應力測試，結果表明：應變對比誤差在10%以內，仿真精度較高，該復合材料板簧滿足強度性能要求，可以為進一步的結構優化、性能提升提供基礎。

關鍵詞：復合材料板簧;強度試驗;應變;有限元分析

0 引言

復合材料板簧具有鋼制板簧難以取代的優點：抗腐蝕性強、易加工、比強度高。應用在汽車上可以降低汽車重量，減少油耗，節約能源[1]。本文基于某非獨立懸架的復合材料板簧，采用CAE仿真和臺架實驗雙重手段，進行強度性能開發，為產品的結構優化、性能提升提供依據。

1 復合材料板簧建模

1.1 有限元模型

板簧的簧片采用ABAQUS的連續殼單元建模，單元類型為SC8R，網格尺寸為5mm，沿厚度方向劃分8層單元。由于復合材料板簧采用纏繞成型的工藝方法，其纖維方向角均為0°，因此可對每層厚殼單元僅鋪1層，參考厚度取5mm。前后卷耳和后吊耳采用六面體實體單元建模，單位類型使用C3D8I，網格尺寸為3mm，中間的加載盒同樣采用六面體實體單元建模，網格尺寸為5mm。加載盒和板簧之間建立接觸。另用Kinematic Coupling約束加載盒的上下表面，在耦合節點施加作用載荷，來模擬板簧加載工況。復合材料板簧總成的裝配建模如圖1所示[3]。

1.2 材料參數

復合材料的材料參數，需通過特定的材料試驗獲取，復合材料采用正交各向異性材料模擬[4]。

2 復合材料板簧強度分析與驗證

2.1 邊界條件

前卷耳固定點、后吊耳上固定點均釋放Y向轉動自由度。主要考查沖擊工況、制動工況、起步工況、側傾工況。

2.2 分析結果

復合材料板簧的強度性能評價標準為：提取計算結果中纖維方向應力，對比材料的拉伸強度和壓縮強度，判斷是否失效。圖2為沖擊工況強度分析云圖，纖維方向最大應力為434.6MPa。

該材料的抗拉強度為1200MPa，抗壓強度為850MPa。將四種工況下的應力結果匯總至表1，可以看出，在強度分析典型工況下，復合材料板簧拉伸、壓縮強度安全系數均大于1.5。

取沖擊強度工況進行應力測試對比：在復合材料板簧樣品上貼片，共有4處;在有限元模型中選取相同位置的單元，輸出對應位置應變，用于數據對比。

從表2可以看出沖擊工況下的應變仿真結果和試驗結果誤差均在10%以下，符合預期要求。綜上，該型復合材料板簧滿足強度使用要求。

3 結論

復合材料板簧替代傳統的鋼板彈簧是底盤輕量化的趨勢之一，對于企業提質增效、引領市場有積極效果。本文以復合材料板簧為研究對象，利用CAE仿真分析了板簧的強度性能，并通過臺架驗證，反映出該復合材料板簧滿足設計要求。

參考文獻：

[1]張先彬，黃昌文，汪翠琴，等.復合材料板簧在汽車輕量化發展中的應用[J].安徽科技，2019（02）：48-49.

[2]周站福，潘超，宋恩章.復合材料板簧設計與開發[J]. 汽車文摘，

2020（02）：47-50.

[3]陳德玲，郭偉，石永金，等.復合材料板簧有限元分析和試驗研究[J].上海汽車，2016（09）：51-54.

[4]王甲世，李再軻，吳輝，等.汽車復合材料板簧的有限元分析及性能測試[J].汽車技術，2012（04）：55-57.