| 汽车构件中减震器弹簧盘易受疲劳破坏，影响汽车的使用，而对其展开整车试验并不合理。 本文基于有限元疲劳分析的方法建立减震器弹簧盘的力学有限元模型，在Workbench 平台下进行应力及疲劳仿真分析，在修正理论下对弹簧盘的薄弱之处做出新的优化设计，最后的疲劳寿命预测证明了此优化结构的切实有效性。 1 引言 在设计汽车构件时，一般不仅仅考虑其能承受的极限拉伸强度，因为，在汽车行驶的使用过程中，各种交变荷载并存，对汽车构件反复作用，即使交变荷载远低于极限强度，在这种交变反复的作用下，构件有可能出现裂纹、拉伸甚至破坏断裂，这就是经常所说的疲劳破坏。而弹簧盘在车辆减震器结构中是起支撑弹簧的作用，必然因挤压受到较大的交变荷载。其作为减震器中重要的零件之一，疲劳破坏的可能性大大增加，可靠耐久性直接关系到汽车行驶的稳定性与安全性。对车辆减震器研制与测试中，需要大量的构件实验和整车耐久试验，不仅消耗大量的财力物力人力，而且时间又长，所以需通过疲劳分析，提前分析结构薄弱环节，来减少疲劳试验。本文通过建立弹簧盘力学模型，在Workbench 软件的协同仿真环境下，运用有限元方法分析不同交变荷载状态下弹簧盘疲劳强度，并对其疲劳寿命进行预测实验，试做出结构优化设计。 2 疲劳分析方法 根据荷载类型的不同，可以把疲劳分析大致分为静态疲劳分析、动态疲劳分析以及瞬间疲劳分析。通常当结构的一阶固有频率大于3 倍荷载频率时，就可采用静态疲劳分析方法;如果荷载频率和原有构件的固有频率相接近时则采用动态疲劳分析方法;瞬间疲劳分析方法针对于随机荷载作用下的构件疲劳分析。而在静态疲劳分析中又可细分包含准静态疲劳分析，本文通过有限元的理论分析建立弹簧盘的有限元模型，验证此分析方法。 2.1 建立有限元模型 在分析之前，需要建立构件分析的模型，创建弹簧盘有限元模型一般有两种方法，一种是直接在文中提到的ANSYS-Workbench 环境下创建有限元模型，这种方法主要适用建立一些简单的模型。另外一种方法是对与弹簧盘等复杂结构类似的复杂构件从CAD模型读入，利用CAD 软件三维取图建模，并保存为.x_t 格式然后导入到Workbench 平台进行构件分析。定义弹簧盘属性时材料为冷轧钢板2.0GB/T708-88，其弹性模量E 为210Gpa，泊松比0.3，屈服极限和强度极限分别是221Mpa 和300Mpa。当把三维模型 导入Workbench 平台后，需进行一个重要环节—网格划分，划分越细结果越精确。可以利用Workbench平台默认值划分。 2.2 准静态有限元疲劳分析 此种疲劳分析方法适用于牵动荷载频率远低于所受力分析构件的自然固有频率之下。这时应力状态可以由通过叠加多个不同静态荷载的方式来模拟完成。此时，需要定义一组完善的静态荷载，然后实测或分析得到与其对应的荷载谱，按下面式子对弹性应力应变进行计算： 3 弹簧盘结构分析与优化 由上述文中建立有限元模型并进行计算，选择Goodman 理论进行平均应力修正，再结合疲劳寿命图和等效应力云图，可知疲劳损伤以及应力集中区在凸包处。由分析知需对弹簧盘的结构进行优化。首先，我们通过增加弹簧盘的厚度来提高钢板强度。其次，由结果知需降低凸包区域的水平应力大小，所以结构上应该有所改变。我们试着将凸包区域面积扩大，让其各部接触面落差变小使得过渡区域更为圆滑，这样可以减少应力集中的现象。在Workbench 环境下仿真分析结果显示设计满足要求。 4 疲劳试验 优化后，为进一步确认新结构结果的正确性，需做比较试验。此实验所用设备为电液伺候动静万能试验机，每组试样4 个，各竖向加载为620 到6200N，。加载的频率2HZ，调试试验当加载达到6200N 时疲劳寿命可达到预期目标130000 次。分别做了几组疲劳测试，先前的弹簧盘疲劳寿命分别为11.5 万次10.2 万次12.8 万次和11.7 万次，而优化结构后的弹簧盘疲劳寿命分别为18.9 万次19.8 万次18.2 万次以及17.5 万次。结果表明，先前弹簧盘疲劳值较低，由此可知疲劳损伤集中于凸包区域并且厚度有待增加，据此做出的优化结构满足强度设计要求，更不易发生疲劳损伤。 5 结语 本文在Workbench 基础上通过有限元建模对汽车减震器进行仿真分析，通过强度和疲劳寿命分析确定弹簧盘的结构不足所在，提出结构优化改进方案，并验证其正确性。望对结构设计的改进、减少实验费用等有所意义。 |
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