汽车空气悬架弹簧支架的动力学仿真与有限元分析一体化疲劳寿命计算

赵　韩1　钱德猛1　魏　映2,3

1.合肥工业大学,合肥,230009

2.空军第一航空学院,信阳,4000

3.东南大学,南京,210096

　　摘要:简述了弹簧支架在汽车整个空气悬架系统中的作用,针对某种型号客车的空气悬

架,应用多体动力学软件ADAMS 构建了悬架的虚拟样机,进行了动力学仿真分析。应用ANS YS 软件对弹簧支架进行了分析,计算了弹簧支架的应力、变形特性和疲劳寿命。

关键词:弹簧支架;虚拟样机;动力学仿真;有限元分析;疲劳寿命中图分类号:U463　　　文章编号:1004-132Ⅹ(2005)13-1210-04Analysis to B end F atigue Life for Spring B rackets of Air Suspension

B ased on Virtual Prototype T echnology and Finite Element Method

Zhao Han 1　Qian Demeng 1　Wei Y ing 2,3

1.HeFei University of Technology ,HeFei ,230009

2.The First Aviation Instit ute of t he Air Force ,Xinyang ,4000

3.Sout heast U niversity ,NanJing ,210096

Abstract :The paper briefly specified what role t he sp ring bracket played as a part of air suspen 2sion system.Firstly ,t he virt ual prototype of air suspension of some kind of passengers automobile was established using ADAMS and t he dynamic simulation was carried out.Then t he interested part was picked up and t he finite element analysis was completed using t he software ANS YS.The st ress ,distortion characteristics and fatique life of t he sp ring bracket are obtained.

K ey w ords :sp ring bracket ;virt ual p rototype ;dynamic simulation ;finite element analysis ;fatigue life

收稿日期:2004-06-24

0　引言

随着汽车技术的发展和人们生活水平的提高,人们对汽车的舒适性要求越来越高。作为影响汽车舒适性的空气悬架在各种车型上开始大量应用[1]。安装有空气悬架的车辆可以获得理想的固有频率,减小了整车的振动噪声,车轮动载荷小,可以获得良好的行驶平顺性。弹簧支架是空气悬架系统中的关键零部件之一,它的作用是支撑空气弹簧、连接悬架导向机构和转向节以及传递载荷,该零件的强度好坏对于整车在行驶过程中的安全性有着至关重要的影响。弹簧支架的具体结构形式因车型而有所不同,本文以某型客车空气悬架为例,对其作了动力学仿真分析。

1　悬架系统动力学仿真

1.1　建立非线性动力学仿真模型

虚拟样机技术是以多体系统动力学为理论基

础的。在多体系统动力学的建模方法中,La 2grange 乘子方法是建立多体系统动力学方程经

常使用的方法之一。ADAMS 采用第一类La 2grange 方程建立系统的动力学方程,根据本文所

述的空气弹簧悬架的特点,选择每个刚体质心的笛卡儿坐标和描述刚体方位的欧拉角作为系统的广义坐标:

q i =[x ,y ,z ,ψ,β,φ]T

根据Lagrange 待定乘子法,多刚体动力学方程为[2]

d d t (5T 5q

・)T -(5T 5q

)T +φT q λ+θT

q λ-Q =0

式中,T 为系统的动能矩阵;q 为系统的广义坐标向量;Q

为广义力列向量;λ为拉格朗日乘子列向量;φT

q 为对应于完整约束的雅可比矩阵的转置矩阵;θT q 为对应于非完整

约束的雅可比矩阵的转置矩阵。

基于上述的多体系统动力学理论,利用三维造型软件U G 和机械系统动力学仿真软件ADAMS/View ,按照ADAMS 建模的要求建立该

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0121・

型客车双横臂空气悬架的虚拟样机(图1)

。

1.空气弹簧(力学模型)

2.减振器(力学模型)

3.弹簧支架

4.上横臂

5.下横臂

6.转向节

7.测试平台

8.车轮

图1　悬架系统的动力学仿真模型

根据目标悬架中零部件间的相对运动关系,定义零部件的拓扑结构,对零部件进行重新组合,将没有相对运动关系的零部件组合为一体,确定重新组合后零件间的连接关系和连接点的位置,计算或测量重新组合后的零部件质心位置、质量和转动惯量,确定减振器的阻尼特性和弹簧的刚度特性,定义主销轴线,输入车轮的前束角和外倾角。零部件之间的连接有的属于铰链连接,有的属于橡胶轴承(或弹簧)连接,二者的区别在于铰链连接是刚性的连接,不允许过约束的运动,橡胶轴承和弹簧属于柔性连接,它们在发生运动干涉的部件之间产生阻力,阻止进一步的干涉发生。假定各铰链处的橡胶轴承在各个方向上的刚度相等,在相应的位置施加轴套力(BU SH IN G )。考虑到空气悬架的变刚度特性,以实测得到的试验曲线为依据(图2),在AD 2AMS 环境中以数据的形式输入来进行非线性的动力学仿真[3]。空气悬架主要的几何参数和动力学参数见表1

。

图2　空气弹簧的试验特性曲线

表1　空气悬架的主要参数

主销后倾角

(°)

主销内倾角

(°)

车轮外

倾角

(°)

前束角

(°)

减振器阻尼

(N ・s/mm )橡胶衬套刚度(N/mm )簧载质量

(kg )

0.427758.750000.800000.500006000.0

200001500.0

1.2　

仿真结果

对于悬架系统,采用额定载荷作用下的单轮跳动进行仿真。悬架的仿真分析是为了对其中的

弹簧支架进行进一步的有限元分析和疲劳寿命计

图3　弹簧支架在竖直方向的受力曲线

算,得到的弹簧支架在竖直方向的受力随仿真时

间的变化情况如图3所示。从图中可以看出,弹簧支架在车轮跳动过程中,在竖直方向的受力最大达到17500N ,为最终的疲劳寿命计算的“载荷数”的设定提供了理论依据。1.3　有限元分析载荷输出

根据动力学仿真分析的结果,通过确定弹簧支架上的坐标标记确定ADAMS 输出的构件为刚性构件即弹簧支架(图4)。载荷的作用点为支架上端面以及减振器的下端支承面,在载荷的作用点设置坐标标记以获得作用点的载荷值,同时可以指定载荷作用点的节点号(在有限元分析中,ANS YS 将自动的匹配运算确定节点号的对应关系),输出在仿真时间为0.3s 时刻弹簧支架的载荷信息。

图4　弹簧支架的三维实体模型

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1121・

2　弹簧支架有限元分析

2.1　建立有限元模型

弹簧支架属于典型的实体结构,主要承受来自车身的垂直载荷(簧载质量)。此外,在车辆行驶过程中还承受来自导向机构的横向载荷,由于现代汽车中柔性连接体的大量使用,来自导向机构的横向载荷基本上被橡胶衬套等柔性体吸收,直接传递到弹簧支架的横向载荷比较小,这些方面基本体现在悬架动力学分析中。在ANS YS 环境中通过菜单[ADAMS connectio n ]输入载荷信息,从而进一步建立有限元模型。根据弹簧支架的结构型式和受力特点,单元类型选取三维实体单元(代号为SOLID187),计算单元网格的划分应用AN 2SYS 自带的MeshT ool 工具,采用智能网格划分方

法,等级为6,得到图5所示的结构有限元模型,整个模型划分为52915个单元,80323

个节点。

图5　弹簧支架的三维力学模型

针对水平路面的情况,该模型采用下列约束条件[4]:①在与主销的配合空面上约束全部自由度(ALL DO F );②在与悬架的上下横臂的配合孔面上约束Z 方向的位移(Z 方向的位移为

零)。

2.2　结构强度分析

对弹簧支架的有限元模型进行强度分析,模型的节点等效应力云图见图6、图7和图8,可以看出,弹簧支架的应力偏大的位置区域主要居于其与主销的配合孔附近,最大应力的位置如图7所示,在主销配合孔的上端面上,节点号为2285,最大应力值为S max =98.813MPa <[σs ]

=235M Pa 。通过分析发现,弹簧支架与主销配

合孔附近区域是整个结构相对较薄弱的环节,可以作为改进设计时的理论参考依据。结构上有代表性的几处位置的应力分析结果见表2,表中位置A ～F 见图6、图7和图8

。

图6　

弹簧支架的应力云图

图7　

弹簧支架与主销配合孔处上部的应力云图

图8　弹簧支架与主销配合孔处下部的应力云图

表2　弹簧支架上应力相对较大的6个位置及其等效应力值

位置

节点号

应力值

(MPa )位置

节点号

应力值

(MPa )A 685545.705D 2340.858B 228598.813E 281023.431C

29

69.296

F

7816

22.322

3　弹簧支架疲劳寿命计算

3.1　疲劳寿命计算前处理

弹簧支架的实际工况类似于非悬架中的

车桥,在汽车行驶过程中承受着来自路面的交变

・

2121・

载荷,所以它的主要失效形式往往是疲劳,而不是一次性的断裂或者屈服,因而有必要对其进行疲劳寿命计算。利用ANS YS 软件提供的疲劳寿命计算功能模块,对弹簧支架进行疲劳寿命计算,主要过程如下:

(1)定义计算的最大位置数、事件数及载荷数　缺省情况下,最多可考虑5个节点位置、10个事件,每个事件可包含3个载荷。对于本文的弹簧支架,考虑4个位置,事件数为1,每个事件包含2个载荷。

(2)材料疲劳特性定义　为计算使用系数,并考虑材料的弹塑性因素,需要定义材料的疲劳特性,ANS YS 软件中是采用材料的S -N 曲线,即最大应力强度(S max -S min )/2与许用应力循环数关系曲线。本文按照文献[5]的方法进行计算,得S -N 曲线如图9所示

。

图9　材料的S -N 曲线

(3)定义计算位置及应力集中系数　ANS YS

疲劳寿命计算时,需明确定义进行疲劳寿命计算的节点位置,并允许指定计算位置的应力集中系数。应力集中系数一般应根据计算位置的外形突变方向及变化快慢确定。根据强度分析结果,弹簧支架在A 、B 、C 、D 处应力较大,可能会发生疲劳破坏,因此,选定弹簧支架上的A 、B 、

C 、

D 4个位置进行疲劳寿命估算。对于B 、D

位置,由于X 、Y 方向均存在形状变化,且变化率较快,故给定其X 、Z 方向应力集中系数均为211。对于A 、C 位置,它的X 方向存在形状变

化,但变化率较小,故给定其Y 方向应力集中系数为116。

(4)存储计算点的应力值　本文研究对象的载荷情况并不复杂,主要是垂直方向(Y 方向)交变载荷,其值的变化范围经过动力学分析,绝对值介于0～17500N 之间。

因此,可采用一个事件两个载荷步来设置载荷事件,即载荷步1为零载荷,应力值通过手工输入,载荷步2为最大载荷,节点的载荷值可直接从上述静应力计算的结果数据库中读取。3.2　疲劳寿命计算

在疲劳寿命计算前,应指定事件的循环次数,

由于弹簧支架不同于车桥,它是悬架中采用的结构件,参考客车转向桥应满足106次数量级的应力循环的设计要求,故本文设置载荷事件的循环数为106次。

完成以上设置后,即可直接调用疲劳寿命计算模块进行计算,所得结果可存入指定文件中,如图10所示,整个结构在所设置的载荷事件的循环数下,材料的使用率为30%,由此结果可见,本结构从理论上是满足疲劳寿命要求的

。

图10　疲劳寿命计算结果

4　结论

(1)本文在悬架的动力学仿真分析的基础上,

进行了强度分析,确定了弹簧支架的薄弱环节,并

且进一步作了疲劳寿命模拟计算。这种思路有一定的实际意义。

(2)用有限元法进行疲劳寿命计算的关键问题在于材料疲劳特性的确定以及计算点处的应力幅值的计算(本文利用动力学仿真分析解决了这一问题)。

(3)本文讨论的弹簧支架的劳寿命计算的模拟结果有待于实验验证。

参考文献:

[1]　张建文,庄德军,林逸,等.汽车用空气弹簧悬架系

统综述.公路交通科技,2002,19(6):151～155

[2]　洪嘉振.计算多体系统动力学.北京:高等教育出

版社,1999

[3]　李军,邢俊文.ADAMS 实例教程.北京:北京理工

大学出版社,2002

[4]　龚培康.汽车拖拉机有限元法基础.北京:机械工

业出版社,1995

[5]　徐灏.疲劳强度设计.北京:机械工业出版社,1997

(编辑　马尧发)

作者简介:赵　韩,男,1957年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院院长、教授、博士研究生导师。研究方向为机构学、机械传动、磁力机械、数字化设计与制造、汽车现代设计理论与方法、制冷。发表论文110余篇。钱德猛,男,1976年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院博士研究生。魏　映,女,1977年生。空军第一航空学院一系助教,东南大学机械工程系硕士研究生。

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