重卡鋼板彈簧U形螺栓有限元分析

1、重卡鋼板彈簧U形螺栓有限元分析時(shí)間：2011-05-16 12:48:14 來(lái)源：（三一重工 工程車輛研究院 ）袁根旺，趙季華，石遷, 鄧星雄, 陳祥仕, 翟計(jì)托 摘要：本文以重卡鋼板彈簧U形螺栓為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行有限元建模和分析，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)有限元分析，探討兩U形螺栓距離和U形螺栓預(yù)緊力的大小變化，對(duì)鋼板彈簧和U形螺栓內(nèi)部應(yīng)力的影響，為鋼板彈簧和U形螺栓的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。Abstract： This paper sets up the analysis model of leaf spring and U-bolts on heavy tru

2、ck. The analysis result was compared with the test result. Therefore the validity of the FEM model was proved. With the help of finite element method the relationship between the install distance of U-bolts and the stresses in leaf spring and in bolts was investigated. Furthermore the influence of a

3、ssembly preload of U-bolts on the change of stresses in leaf springs and in U-bolts was analyzed as well. The results can provide reasonable reference for design of leaf springs and U-bolts.前言鋼板彈簧把車架和車橋彈性連接起來(lái)，除承受和傳遞各向作用力外，還起緩沖作用。U形螺栓則將鋼板彈簧剛性固定在車架上，承受并傳遞各向作用力和載荷。鋼板彈簧在懸架中起導(dǎo)向作用。由于重卡很多時(shí)間行駛在工地上。路面凹凸不平，使車

4、架和車橋發(fā)生相對(duì)位移的傾向加大，由此產(chǎn)生的作用力和沖擊載荷也較大。這些力作用在鋼板彈簧上，是一個(gè)交變負(fù)荷。既有垂直載荷，又有橫向載荷，并被傳給U形螺栓承受。隨著沖擊次數(shù)的增加，勢(shì)必會(huì)使固定鋼板彈簧的U形螺栓產(chǎn)生疲勞斷裂1。若出現(xiàn)超過(guò)U形螺栓承受能力(強(qiáng)度極限)的沖擊載荷，U形螺栓會(huì)被瞬間剪斷。若增大螺栓材料的強(qiáng)度極限，則它抵抗破壞的能力增加。因此，換用高強(qiáng)鋼的U形螺栓對(duì)預(yù)防斷裂有一定的作用，但畢竟加強(qiáng)型U形螺栓材料強(qiáng)度的空間有限。因此有必要通過(guò)改變布置形式來(lái)尋找降低U形螺栓在承載時(shí)的最大應(yīng)力的方法。國(guó)外各大汽車廠在鋼板彈簧和U形螺栓的布置形式上也各不相同，見圖1至圖4。本文通過(guò)有限元分析方法對(duì)

5、鋼板彈簧和U形螺栓進(jìn)行分析，找出U形螺栓之間距離的變化和U形螺栓預(yù)緊力的大小，對(duì)鋼板彈簧和U形螺栓的受力影響因素，為重卡懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。1 有限元建模在進(jìn)行分析時(shí)，由于鋼板彈簧和U形螺栓是對(duì)稱布置。為了簡(jiǎn)化模型，減少計(jì)算量，故分析時(shí)只取真實(shí)模型的四分之一作為有限元模型，對(duì)有限元模型施加對(duì)稱邊界條件。在建模中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙對(duì)在裝配以前處于自由狀態(tài)的各片板簧分別建模。所采用的都是六面體體單元。采用這種單元有利于考慮板簧的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，比較準(zhǔn)確地反映應(yīng)力集中情況。在有限元法中，單元與單元之間通常是通過(guò)公共的節(jié)點(diǎn)來(lái)傳遞力的。但是，在鋼板彈簧的片與片之間，因?yàn)榻佑|與否事先未知，而且接觸后存在著

6、滑移，所以不能建立公共的節(jié)點(diǎn)。因此，在片與片的節(jié)點(diǎn)間加入接觸條件，模擬片間的作用力2。各片鋼板在中心螺栓的作用下裝配成板簧部件。再用U形螺栓(兩個(gè)有限元模型，U形螺栓的中心距分別為284mm和164 mm)安裝在車橋上。各片鋼板在這些螺栓的作用區(qū)域(在各片鋼板的中部)內(nèi)被壓平，并且沒有相對(duì)滑移。在建模時(shí)，把各片鋼板在兩個(gè)U形螺栓之間的部分變平。在中間建出一個(gè)中心螺栓孔，然后將各片在中心孔孔上的節(jié)點(diǎn)耦合起來(lái)，以此來(lái)模擬板簧的裝配過(guò)程。即用中心螺栓和兩個(gè)U形螺栓進(jìn)行夾緊的過(guò)程。由于此處不是板簧的危險(xiǎn)部位，所以這樣處理是合理的3，有限元模型如圖5所示。為了找出U形螺栓之間距離的變化對(duì)板簧和U形螺栓的

7、受力影響，現(xiàn)做兩種有限元模型如圖6和圖7所示。圖7所示有限元模型墊塊比圖6所示墊塊短120mm（U形螺栓之間的距離縮短120mm）。但圖7所示模型的寬度比圖6要寬16mm，來(lái)保證兩個(gè)鋼板彈簧有限元模型的剛度一致。 2 U形螺栓試驗(yàn)測(cè)試2.1 試驗(yàn)方案為了驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，對(duì)U形螺栓(距離為284mm)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。在U形螺栓上貼上應(yīng)變片，如圖9所示。測(cè)量在加載過(guò)程中，U形螺栓的應(yīng)變變化情況，進(jìn)而可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)位置的應(yīng)力變化。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用北京航天數(shù)據(jù)技術(shù)有限公司的應(yīng)變測(cè)量?jī)x，如圖10所示。2.2 試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)測(cè)量在U形螺栓貼應(yīng)變片處的應(yīng)變曲線如圖11所示?？v軸坐標(biāo)為U形螺栓在150kN預(yù)緊

8、力狀態(tài)下，2.5倍滿載載荷時(shí)貼應(yīng)變片位置的應(yīng)變變化量（單位為 m/m），轉(zhuǎn)換成應(yīng)力值為399MPa。按照下列公式計(jì)算：式中： 材料的應(yīng)力值材料的彈性模量材料的應(yīng)變值3 有限元分析結(jié)果對(duì)比3.1 U形螺栓十五萬(wàn)牛預(yù)緊力有限元分析從有限元計(jì)算結(jié)果得出，U形螺栓在受150kN預(yù)緊力且無(wú)外加載荷時(shí)，U形螺栓貼應(yīng)變片處的有限元計(jì)算應(yīng)力為391MPa（見圖12）。在U形螺栓受150kN預(yù)緊力及2.5倍滿載載荷時(shí)，U形螺栓貼應(yīng)變片處的有限元計(jì)算應(yīng)力為802MPa，應(yīng)力增加了411MPa(見圖14)，和試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)399MPa很接近，驗(yàn)證了有限元數(shù)模的準(zhǔn)確性。另外，同樣剛度下，U形螺栓（U形螺栓距離284mm

9、）在2.5倍動(dòng)載下，其軸向載荷（bolt load）由150kN（預(yù)緊力）增大到302kN；U形螺栓（U形螺栓距離164mm）的軸向載荷由150kN（預(yù)緊力）增大到291kN。U形螺栓之間的距離變小，U形螺栓軸向載荷最大值減小了11kN，應(yīng)力值也相應(yīng)變小。但最大值位置不變，都在U形螺栓的折彎處，如圖16所示。鋼板彈簧的最大應(yīng)力值從803MPa降低到786MPa，并且最大應(yīng)力值的位置發(fā)生了變化。板簧（U形螺栓距離284mm）最大應(yīng)力發(fā)生在第七塊板簧上（從上往下數(shù)），如圖17所示。而板簧（U形螺栓距離164mm）最大應(yīng)力發(fā)生在第一塊板簧上（從上往下數(shù)），如圖18所示。鋼板彈簧應(yīng)力值詳細(xì)變化如表1所

10、示。3.2 U形螺栓一千牛預(yù)緊力有限元分析同樣剛度下，在預(yù)緊力都是1kN的時(shí)候，U形螺栓之間的距離變小，上述變化依然存在，但變化更明顯。在2.5倍滿載載荷下，U形螺栓（U形螺栓距離284mm）的軸向載荷（bolt load）由1kN（預(yù)緊力）增大到261kN；U形螺栓（U形螺栓距離164mm）軸向載荷由1kN（預(yù)緊力）增大到229kN，U形螺栓軸向載荷最大值減小了32kN。U形螺栓內(nèi)部的最大應(yīng)力由937MPa降到了797Mpa下降了140MPa，如圖23所示。（U形螺栓距離284mm） （U形螺栓距離164mm）圖23 一千牛預(yù)緊力2.5倍滿載U形螺栓應(yīng)力圖結(jié)論通過(guò)對(duì)鋼板彈簧和U形螺栓的有限元分析和試驗(yàn)對(duì)比，