三轮汽车钢板弹簧的建模与仿真设计.docx

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三轮汽车钢板弹簧的建模与仿真设计

联系人：

五征集团三轮研究所先航信箱：

wz_zxh1806163.

地址：

省五莲县长青路23号五征集团三轮研究所（邮编：

262300）

三轮汽车钢板弹簧的建模及仿真

先航、王水焕、建峰、丁友鹏、王善波

（五征集团，262300）

摘要

在整车仿真分析中，钢板弹簧模型的建立一直是个难点，对于三轮汽车的整车仿真来说更是如此。

为了建立比较精确的钢板弹簧模型，本文根据三轮汽车钢板弹簧的结构及受载特点,以多柔体系统动力学理论为基础,利用UG、Hyperworks与Adams建立了钢板弹簧的多柔体模型,并对其特性进行了仿真研究，然后将仿真结果与试验结果进行对比，验证了模型的正确性。

关键词：

三轮汽车，钢板弹簧，UG，Hyperworks，ADAMS

1概述

三轮汽车分为带传动与轴传动两类，由于轴传动三轮汽车的钢板弹簧与汽车的一致，并且关于汽车钢板弹簧的多刚体、多柔体建模在一些文献中多有论述，所以本文不再赘述。

本文只对带传动三轮汽车的钢板弹簧进行分析，后文提及的三轮汽车专指带传动三轮汽车。

三轮汽车后悬架大都采用纵置对称多片钢板弹簧式后悬架，它通过转套与车架相连，所以三轮汽车钢板弹簧不传递纵向力，不能起到导向作用，它只起到缓冲与减振的作用。

在整车仿真分析中，钢板弹簧模型的建立一直是个难点，在一些精度要求不高的分析中，多用三连杆机构进行模拟，但由于其精度不是太高，并且对具有副簧的钢板弹簧很难模拟，所以为了提高三轮汽车的整车仿真精度，本文尝试采用UG、Hyperworks与Adams结合，建立多片钢板弹簧的柔体模型，在Adams中进行仿真，并将结果与测试结果相对比，验证模型的正确性。

2建模

2.1在UG中建立钢板弹簧的三维模型

为了得到精确的结果，本文利用专业的三维CAD软件UGNX4.0建立了某钢板弹簧的三维模型，建模过程从略。

建立后的钢板弹簧三维模型如图1所示：

图1钢板弹簧三维模型图

2.2将三维模型导入到Hypermesh

在UG中，将该钢板弹簧三维模型导出为Parasolid（*.x_t）格式,在Hypermesh中,利用接口程序将该钢板弹簧模型导入到Hypermesh中,导入后的模型如图2所示:

图2钢板弹簧在Hypermesh中的模型

2.3在Hypermesh中建立钢板弹簧的有限元模型

Hypermesh是一个高性能的有限元前、后处理器，让用户在交互及可视化的环境下验证各种设计条件，并且可以方便的划分出高质量的网格。

为了提高计算精度，本文对该钢板弹簧的每一片单独划分网格，片与片之间用CGAPG间隙单元进行连接，来模拟弹簧片间的接触。

由于板簧中间具有圆孔，并且不能忽略，如果直接用volume命令生成三维网格，网格质量不是太好，降低了计算精度。

所以本文先生成二维网格，然后通过drag命令生成三维网格。

2.3.1建立二维网格

对该钢板弹簧的其中一片弹簧建立二维网格，创建的网格如图3所示：

图3创建的二维网格

2.3.2建立三维网格

由建立得二维网格通过drag命令创建三维网格，生成的三维网格如图4所示：

图4创建的三维网格

2.3.3建立钢板弹簧的三维网格

重复以上步骤，建立其它弹簧片的三维网格，完成后的三维网格如图5所示：

图5钢板弹簧三维网格

2.3.4建立接触单元

本文利用CGAPG单元来模拟板簧片间的接触关系，用rigids单元模拟中心固定螺栓。

具体步骤如下：

1.点击Collectors，创建pgap道具，点击create/edit，并按照图6进行设置:

图6pgap道具参数设置

2.在片间建立CGAPG单元，并将各弹簧片的中心用RBE2单元连接。

完成后的钢板弹簧模型如图7所示：

图7钢板弹簧接触模型

2.3.5建立约束

1.创建loadcollectors，此loadcollector为约束，在创建约束的时候使用nocard；

2.创建另一个loadcollectors，此loadcollector定义模态，card=cmsmeth，然后点击create/edit，并按照图8进行编辑：

图8模态参数设置

3.Analysis→constraint，选择最下方板簧片的中心点，6个自由度全选，创建约束。

2.4利用OptiStruct求解钢板弹簧模态

作为世界CAE工业流行的大型通用结构有限元分析软件，OptiStruct是一个快速、精确和稳健的有限元求解器，支持多种线性及非线性分析。

通过无缝集成在HyperWorks软件中，OptiStruct为工程师提供了梦寐以求的灵活、快速和先进的功能，这些功能包括线性静态分析、特征值求解、屈曲，频率响应分析和瞬态响应分析以及运动学，动力学，静力学，准静力学和线性化分析等。

OptiStruct虽然不是专业的解决非线性问题的求解器，但可以满足一般的非线性问题的计算要求。

所以本文利用OptiStruct进行求解。

2.4.1建立载荷步

Preferences→Previous（OptiStruct），进入OptiStruct环境。

analysis→subcase，按照图9进行设置，CMSMETH选择前面创建的模态收集器：

图9设置载荷步

2.4.2计算钢板弹簧模态

analysis→OptiStruct，选择analysis，点击OptiStruct，运算完成后，点击Hyperview，该板簧的一阶模态如图10所示：

图10钢板弹簧的一阶模态

2.5文件转换

MotionView是Hyperworks系列产品中的一种，MotionView前处理提供一个有效率的中性多体动力学语言分析功能，可以输出给ADAMS使用。

此处需要利用MotionView程序，将OptiStruct生成的含有柔性体的H3D文件转化为ADAMS使用的MNF文件。

打开MotionView，在FlexTools菜单中选择FlexPrep命令，选择上文生成的H3D文件，转换为所需要的MNF文件。

2.6在ADAMS中建立钢板弹簧柔性体模型

2.6.1导入MNF文件

在ADAMS/View环境中，Build→FlexibleBodies→Adams/Flex，在打开的对话框中，选择上文建立的MNF文件，在ADAMS/View中生产的钢板弹簧柔性体模型如图11所示：

图11钢板弹簧在ADAMS中的柔性体模型

2.6.2建立车架的多体模型

为了达到仿真的目的，需要按照该钢板弹簧在三轮汽车中的实际安装方式，建立其它零部件的多体模型。

为了计算方便，本文仅建立了与钢板弹簧相关的车架局部模型。

建立并导入ADAMS后的模型如图12所示：

图12导入车架后的多体模型

建立约束副，完成后的钢板弹簧柔性体模型如图13所示：

图13钢板弹簧柔性体模型

3仿真分析

3.1添加运动约束

为了更好的模拟钢板弹簧的受力过程，在移动副上施加移动铰，并将参数修改为50*time。

3.2建立测量

建立测量Y方向的位移，名称为MARKER_4_disp；建立测量Y方向的力，名称为MARKER_4_force；

3.3运行仿真

将时间设置为2，steps设置为100，运行仿真，图14为钢板弹簧变形情况：

图14板簧变形情况

3.4观察钢板弹簧载荷与位移曲线

以MARKER_4_disp为横坐标，以MARKER_4_force为纵坐标，建立如图15所示的载荷与位移曲线；由图可以看出两段曲线的斜率分别是174与643，也就是说该钢板弹簧的主簧刚度为174N/mm与复合刚度为643N/mm。

图25载荷与位移曲线

4验证模型

为了验证仿真结果,进行了台架试验。

将该钢板弹簧固定在压力机上，进行测量，测量结果见表1。

表1测量结果

负载N

静载变形mm

刚度N/mm

备注

5000

29±1

172.4

主簧刚度

30000

48±1

625

复合刚度

从上表可以看出仿真结果与测量结果误差小于3%，所以仿真结果真实可信，也就是说上述方法建立的钢板弹簧的模型是正确的。

5结语

根据载荷与位移曲线，ADAMS可以计算出钢板弹簧的变形量及相应的载荷大小,通过仿真结果,能比较清楚的了解钢板弹簧的特性情况。

这样在样品试制出来以前,就可较准确地模拟出钢板弹簧特性的台架试验,在设计阶段就可预测其力学性能,方便进行设计修改。

该模型的成功建立也为以后的三轮汽车整车仿真创造了条件。

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