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汽车钢板弹簧疲劳寿命有限元分析

FiniteElementAnalysisofFatigueLifeofaLeafSpring

沈栋平,于艇

ShenDong-ping,YuTing

富奥汽车零部件股份有限公司

FawerAutomotivePartsLimitedCompany

摘要:应用有限元法对某2片式钢板弹簧进行垂直载荷作用下受力与疲劳寿命分析,其中使用8节点

六面体单元对板簧进行实体建模,采用接触分析来模拟各片逐渐进入接触的情况。应用有限元模型计

算板簧的应力分布及疲劳寿命。对板簧进行的疲劳寿命试验表明,有限元计算结果与实验结果吻合较好。

关键词:钢板弹簧,有限元分析,应力,疲劳寿命

1.前言

钢板弹簧(简称板簧)是历史最悠久、至今仍然得到广泛应用的汽车的重要部件之一。在汽车上,板簧主要用于在车轮与车架或车身之间传递各种力和力矩,同时其垂直力—变形(刚度)特性直接影响汽车的乘坐舒适性(张洪欣,1989)。所以,对板簧的基本要求

是具有适当的刚度特性和足够的强度及疲劳寿命。为此需要在产品设计前期准确计算板簧

的强度和疲劳寿命尤为重要。

2.有限元模拟分析

2.1板簧应力分析

富奥公司为某商用车配套的前簧,采用2片式板簧,它是一种等截面和变截面混合的少

片簧,材料为FAS3550钢,材料参数如表1所示。

表1.板簧材料参数.

材料弹性模量

(GPa)

泊松比屈服极限

(MPa)

抗拉强度

(MPa)

FAS35502060.2913001500

根据汽车用钢板弹簧标准GB/T19844-2005及整车要求,板簧的疲劳试验输入条件如表

2所示。

2016SIMULIA中国区用户大会1

表2.板簧疲劳试验输入条件.

预加变形Fw(mm)振幅Fa(mm)

101.2764.28

运用CATIA软件建立三维模型,使用HyperMesh软件进行网格划分,考虑到物理模型

的对称性,取整体模型的1/2进行分析,将钢板弹簧划分六面体网格(石亦平,2006)。参

照钢板弹簧疲劳试验的加载和约束方式确定载荷与边界条件,运用ABAQUS软件建立刚度

分析有限元模型,考虑钢板弹簧的几何非线性以及各个部件之间的接触状态。计算钢板弹簧在疲劳试验加载过程中最小变形(36.99mm)与最大变形(165.55mm)时刻的受力情

况,钢板弹簧最小变形时的应力分布情况图2所示,钢板弹簧最大变形时的应力分布情况如

图3所示。

图1.板簧有限元模型.

图2.板簧最小变形时的应力分布情况.

图3.板簧最大变形时的应力分布情况.

22016SIMULIA中国区用户大会

2.2板簧疲劳寿命分析

将应力结果导入FE-SAFE疲劳软件,计算钢板弹簧的疲劳寿命。第1片钢板弹簧疲劳

寿命情况如图4所示,第2片钢板弹簧疲劳寿命情况如图5所示。

最小14.16万

图4.第1片钢板弹簧疲劳寿命情况.

最小41.14万

图6.第2片钢板弹簧疲劳寿命情况.

疲劳寿命分析结果显示:钢板弹簧在循环疲劳载荷作用下,第1片钢板弹簧的疲劳寿命

最小,最小疲劳寿命为14.16万次,位置分布在距中心550-750mm之间。

3.试验验证

使用汽车钢板弹簧疲劳寿命台架试验台进行两架钢板弹簧总成疲劳试验,预加变形

Fw=101.27mm,振幅Fa=64.28mm。疲劳寿命试验结果如表3所示,簧片断口情况如图7所示。

表3.疲劳试验情况.

寿命断裂片断裂位置

1号13.55万次第一片距中心675mm

2号13.35万次第一片距中心570mm

2016SIMULIA中国区用户大会3

图7.簧片断口情况.

4.结论

本文应用有限元模型计算板簧的应力分布及疲劳寿命,并对板簧进行的疲劳寿命台架试验验证。有限元分析结果与试验结果对比显示,疲劳寿命次数与疲劳断裂位置均吻合较

好。

5.参考文献

1.张洪欣.汽车设计.第二版,北京:机械工业出版社,1989.

2.石亦平,周玉蓉.Abaqus有限元分析实例详解.机械工业出版社,2006.

3.ABAQUSUser’sManual.

42016SIMULIA中国区用户大会

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