三段式渐变刚度钢板弹簧的参数化设计与研究

发布时间：2020-05-08 04:34

【摘要】：钢板弹簧是一种常用的弹性元件,应用于非独立悬挂的汽车悬架装置中。它传递作用在车轮与车身之间的一切力和力矩,并缓和由不平路面传给车身的冲击载荷,衰减由冲击载荷引起的振动,保证车辆正常行驶。钢板弹簧还可在悬架中兼做导向机构,从而简化悬架结构,也使得保养维修方便,制造成本降低。为了充分利用材料,钢板弹簧做成接近于等强度梁的形式。三段式渐变刚度钢板弹簧是目前刚度曲线与理想刚度曲线最接近的钢板弹簧悬架,正在被推广使用,而且随着渐变刚度钢板弹簧生产工艺的发展,它的使用范围正在不断扩大。本文就三段式渐变刚度钢板弹簧的参数化设计与分析方面做了些研究工作。根据三段式渐变刚度钢板弹簧设计的理论和台架试验方法,研究实现钢板弹簧结构参数化设计和性能参数化分析的方法及流程。整个参数化设计与分析的过程分为三大模块。分别是结构优化设计,有限元性能仿真和疲劳寿命仿真计算。在结构优化设计这一模块:以优化设计理论为基础,建立了考虑了预应力情况的三段式渐变刚度钢板弹簧的优化数学模型。采用MATLAB编程对三段式渐变刚度钢板弹簧进行优化计算,在满足强度和刚度条件的要求下,尽量减少板簧的质量,实现板簧轻量化,提高了设计计算效率。在有限元性能仿真这一模块:利用结构非线性有限元方法,按钢板弹簧实际的几何结构和材料属性,同时考虑其工作过程中的大变形、各片之间的接触和摩擦等多种非线性因素,在ANSYS软件中建立三段式渐变刚度钢板弹簧的非线性有限元分析模型。对建立的有限元模型进行装配仿真和弹性特性仿真,以验证有限元模型的正确性和利用结构优化设计这一模块设计出的三段式渐变刚度钢板弹簧结构的合理性。分析仿真结果值是否符合设计要求值。如果符合则进行阻尼特性仿真分析,根据机械振动学原理,计算出三段式渐变刚度钢板弹簧悬架的阻尼比,为减振器设计提供参考意见。如果不符合则重新进行结构优化设计,直至符合为止。整个建模与分析过程利用ANSYS二次开发中的APDL设计语言编程来实现钢板弹簧的参数化设计。在疲劳寿命仿真计算这一模块:利用材料的S-N曲线,并考虑钢板弹簧实际的零部件特征对其疲劳寿命的影响,利用ANSYS/Fatigue模块进行疲劳寿命计算。以验证设计出的钢板弹簧是否符合寿命要求。如果符合则整个参数化设计过程结束。如果不符合则要重新进行结构优化设计,如此循环,直至寿命符合要求为止。本文研究了包含三段式渐变刚度钢板弹簧结构优化,性能仿真和疲劳寿命仿真三个模块的整个参数化设计方法。利用参数化设计得到钢板弹簧的结构参数和性能参数,对钢板弹簧的刚度、疲劳寿命和阻尼等特性的仿真结果进行分析。若不满足设计要求,则可以重新修改约束条件进行下一轮的设计,直至满足设计要求。之后则可生产样品进行试验,最终投入大规模生产,从而省去繁琐的计算分析过程,达到提高开发效率、降低生产成本的目的,具有较高的理论研究性和使用性。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH135.2

【参考文献】