基于ANSYS對(duì)某板簧組合支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)

胡銳

基于ANSYS對(duì)某板簧組合支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)

胡銳

（安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

基于當(dāng)前國(guó)內(nèi)重卡市場(chǎng)需求的改變，輕量化成為用戶重點(diǎn)關(guān)注的產(chǎn)品特性，文章介紹了一種基于ANSYS等CAE軟件對(duì)某板簧組合支架進(jìn)行有限元分析，并結(jié)合高強(qiáng)度鑄鐵、鑄鋼等新型材料，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的方法，去除冗余性能，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

板簧組合支架；有限元分析；輕量化

前言

板簧組合支架是商用汽車(chē)懸架系統(tǒng)連接彈性元件與車(chē)架的部件，是懸架系統(tǒng)中重要組成部件，它主要起承載和導(dǎo)向作用，受靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力較大。板簧組合支架設(shè)計(jì)時(shí)，需要保證在動(dòng)態(tài)沖擊力的作用下強(qiáng)度和安全系數(shù)。如果強(qiáng)度不足，在使用一段時(shí)間后會(huì)導(dǎo)致懸架系統(tǒng)承載能力失效，影響車(chē)輛行車(chē)安全[1]。

隨著我國(guó)節(jié)能減排總體要求的提出，以及中國(guó)綠色貨運(yùn)行動(dòng)倡導(dǎo)貨運(yùn)車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、輕量化、清潔化理念，我國(guó)貨運(yùn)與物流企業(yè)，特別是專業(yè)性強(qiáng)的貨運(yùn)企業(yè)對(duì)整車(chē)的輕量化提出更高的設(shè)計(jì)要求。因此，板簧組合支架需在保證強(qiáng)度的前提下，盡可能地減少材料，降低重量。板簧組合支架主要以鑄件為主，包括鑄鐵件、鑄鋼件，也有部分為沖壓件。本文基于ANSYS、ANSA等CAE軟件對(duì)板簧組合支架進(jìn)行有限元分析，并采用新材料進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[2]。

1 現(xiàn)狀說(shuō)明

某重型汽車(chē)板簧組合支架在開(kāi)發(fā)初期因超載問(wèn)題較為普遍，為適應(yīng)多數(shù)用戶的需求，設(shè)計(jì)有一定的超載余量并采用了分體式結(jié)構(gòu)，重量相對(duì)較重。

圖1 某板簧組合支架示意圖

2 有限元分析

2.1 有限元模型概述

前處理采用hypermesh對(duì)整車(chē)系統(tǒng)模型進(jìn)行網(wǎng)格離散，板簧組合支架采用8mm高階四面體C3D10M網(wǎng)格劃分，局部位置細(xì)化處理，車(chē)架采用8mm四邊形網(wǎng)格S4R劃分，橡膠襯套及空氣彈簧spring單元模擬，螺栓連接處采用rbe2- bar-rbe2單元模擬，輪胎由bar單元簡(jiǎn)化模擬，整車(chē)系統(tǒng)計(jì)算模型如圖所示，原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化后結(jié)構(gòu)采用相同的連接方式。

圖2 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

2.2 板簧組合支架材料性能

表1 板簧組合支架材料性能統(tǒng)計(jì)表

2.3 六種工況下板簧組合支架應(yīng)力分析

圖3 垂直工況應(yīng)力云圖

圖4 制動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖5 驅(qū)動(dòng)工況應(yīng)力云圖

圖6 側(cè)向工況應(yīng)力云圖

圖7 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖

圖8 水平牽引工況應(yīng)力云圖

2.4 六種工況下優(yōu)化后板簧組合支架應(yīng)力結(jié)果分析

表2 板簧組合支架最大拉壓應(yīng)力結(jié)果分析

由上述分析結(jié)果可知，優(yōu)化后的板簧組合支架應(yīng)力值相比原結(jié)構(gòu)雖有所增加，但均小于材料的屈服強(qiáng)度，滿足整車(chē)使用需求。

2.5 碰撞工況下的位移分析

由分析結(jié)果可知，原結(jié)構(gòu)縱向變形56.7mm小于優(yōu)化結(jié)構(gòu)縱向變形62.7mm，原結(jié)構(gòu)縱向剛度優(yōu)于優(yōu)化結(jié)構(gòu)縱向剛度，但均滿足板簧組合支架材料曲線，滿足整車(chē)使用需求。

圖9 優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

（1）垂直、制動(dòng)、扭轉(zhuǎn)等六種工況下，優(yōu)化后的板簧組合支架結(jié)構(gòu)應(yīng)力雖有所增加，但采用了高牌號(hào)材料，安全系數(shù)提升，強(qiáng)度性能滿足使用需求。

（2）板簧組合支架原重量約147kg，優(yōu)化后重量約103.2kg，減重約43.8kg，減重比例29.8%，輕量化方案主要采用高牌號(hào)材料QT800-5，去除零部件冗余功能。

通過(guò)以上ANSYS等軟件進(jìn)行仿真分析，對(duì)比了輕量化前后的板簧組合支架應(yīng)力、位移，分析結(jié)果前后相差較小，且安全系數(shù)均滿足要求，為零部件的輕量化指明了方向，有助于整車(chē)的節(jié)能減排。

[1] 王望予.汽車(chē)設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[2] 申晉憲,王鐵.載貨汽車(chē)總體設(shè)計(jì)分析[M].中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2013.

Design of Lightweight Based on ANSYS for a Plate Spring Combination Support

Hu Rui

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 230601 )

Based on the changes in the current domestic heavy truck market demand, light weight has become a product feature that users pay close attention to. This paper introduces a finite element method for a leaf spring composite bracket based on CAE software such as ANSYS.

Leaf spring combination bracket; Finite element analysis; Light weight

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.04.008

U462.1

B

1671-7988(2021)04-24-03

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胡銳，就職于安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司。