基于ANSYS对汽车钢板弹簧的有限元分析与优化设计毕业论文.doc

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1、宁学院毕业设计(论文)基于ANSYS对汽车钢板弹簧的有限元分析与优化设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师 年 月 日诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于ANSYS对汽车钢板弹簧的有限元分析与优化设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日摘 要首先通过对钢板弹簧的弹性特性进行分析，熟悉钢板弹簧的组成和类别。然后研究一些对汽车行驶平顺性和操纵稳定性有影响的因素，并通过对这些因素的分析和研究，综合考虑各个因素，要清楚地知道所要设计的悬架应符合的要求。接着对长安星卡SC1022D7车型的已有

2、数据进行分析计算，通过一系列的数据，分析出一套钢板弹簧系统。最后，运用三维设计软件进行绘图，并对所设计的钢板弹簧悬架和该车型原有的悬架进行比较，指出在原有的基础上，所设计的钢板弹簧悬架的设计优点。通过研究分析，本文基本上完成了预定的任务，设计出比较合理的钢板弹簧悬架系统。所设计的钢板弹簧悬架与以前相比有比较突出的优点，使其行驶平顺性有所提高，并使轴使用周期变长，能够迅速减震。关键词：钢板弹簧，汽车，有限元分析，优化设计AbstractFirst of all, according to the leaf spring elastic characteristic analysis, famil

3、iar with the leaf spring component and categories.Then study some on vehicle ride comfort and handling stability of influential factors, and through the analysis of these factors and research, comprehensive consideration of various factors, to know the design of suspension shall comply with the requ

4、irements.Then on the Changan star card SC1022D7 models for data analysis, through a series of data, analysis of a set of leaf spring system.Finally, use of three-dimensional design software for mapping, and for the design of leaf spring suspension and the vehicle s original suspension were compared,

5、 pointed out on the basis of the original, the design of leaf spring suspension design advantages.Through research and analysis, the article basically completed the scheduled tasks, to design a more reasonable leaf spring suspension system. The design of leaf spring suspension compared with the prev

6、ious has more prominent advantages, make its ride comfort is improved, and the shaft using cycle is long, can be rapidly damping.Key Words: Leaf spring, auto, finite element analysis, optimal design目 录摘 要IAbstractII目 录III第1章 绪论51.1 有限元简介51.2 有限元特点51.3 有限元步骤61.4 有限元发展趋势71.4.1 与CAD软件的无缝集成71.4.2 更为强大的网

7、格处理能力71.4.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题81.4.4 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解81.4.5 程序面向用户的开放性8第二章 有限元法与ANSYS92.1 有限元分析方法概述92.2 有限元分析的基本思想92.3 ANSYS的主要功能112.4 ANSYS提供的分析类型11第3章 课题任务和分析方法133.1课题任务133.2分析方法133.3 本课题的研究方法14第4章 钢板弹簧的研究对象和UG 钢板弹簧建模144.1钢板弹簧研究对象概述144.1.1 选择研究对象144.1.2 钢板弹簧悬架主要元件的选择和确定144.1.3 钢板弹簧主要元件的主要数据参数184

8、.2钢板弹簧的3D建模设计194.2.1 进入UG的操作界面19第5章 本钢板弹簧的有限元分析275.1有限元分析的基本步骤275.2 有限元分析过程与步骤275.2.1 转换模型格式27总结和钢板弹簧的优化设计分析。44总结与展望45参考文献46致谢47第1章 绪论有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。1.1 有限元简介有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组

9、成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似 解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大 多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。 有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究

10、的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。1.2 有限元特点有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough） 教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法

11、将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有 限元法优于其他近似方法的原因之一。1.3 有限元步骤对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为： 第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。 第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离 散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因

12、此求解域的离散化是有 限元法的核心技术之一。 第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。 第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。 为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。

13、 第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。 第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。 简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信

14、息，了解计算结果。1.4 有限元发展趋势纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势： 1.4.1 与CAD软件的无缝集成 当今有限元分析软件的 一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限 元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解 决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、 Unigraphics、 SolidEdge、S

15、olidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采 用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。 1.4.2 更为强大的网格处理能力 有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部 分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，近年来各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投

16、入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实 体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划 分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分 是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，现在大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适 用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果 使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的

17、希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据 有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单 元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要 条件。 1.4.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题 随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、 裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求 解，例如薄板成形就要求同时考虑

18、结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技 巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非 线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。 1.4.4 由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解 有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线

19、性结构问题，实践证明这是一种非常有效 的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解 对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。现在用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场 问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的 问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂

20、，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。 1.4.5 程序面向用户的开放性 随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用 性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管 他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定 义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。 关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的性能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商

21、的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道。第二章 有限元法与ANSYS2.1 有限元分析方法概述有限元法是一种离散化的数值解法,是用于求解各类实际工程问题的方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的、非线性的问题及热力学、流体力学、电磁学以及高速冲击动力学问题都可以通过有限元法得到解决。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析

22、方法。20 世纪 60 年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz 法分片函数”，即有限元法是 Rayleigh Ritz 法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的 RayleighRitz 法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一2.2 有限元分析的基本思想有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）的基本思想是用较为简单的问

23、题代替比较复杂的问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互联子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所替代。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂情况，因而有限元分析成为行之有效的工程分析手段。有限元法的基本思想可归结为两个方面，一是离散，二是分片插值。离散就是将一个连续的求解域人为地划分为一定数量的单元，单元又称网格，单元之的连接点称为节点，单元间的相互作用只能通过节点传递，通过离散，一个连续体便分割为由

24、有限数量单元组成的组合体。离散的目的就是将原来具有无限自由度的连续变量微分方程和边界转换条件转换为只包含有限个节点变量的代数方程组，以利于用计算机求解。 有限元法的离散思想借鉴于差分法，但做了适当改进。首先，差分法是对计算对象的微分方程和边界条件进行离散，而有限元法是对计算对象的物理模型本身进行离散，即使该物理模型的微分方程尚不能列出，但离散过程依然能够进行。其次，有限元法的单元形状并不限于规则网格，各个单元的形状和大小也并不要求一样，因此在处理具有复杂几何形状和边界条件以及在处理具有像应力集中这样的局部特性时，有限元法的适应性更强，离散精度更高。 变分法是在整个求解域用一个统一的试探函数逼近

25、真实函数，当真实函数性态在求解域内趋于一致时，这种处理是合理的。但如果真实函数的性态很复杂，再用统一的试探函数就很难得到较高的逼近精度，或者说要得到较高的精度就需要阶次很高的试探函数。同时由于不能在求解域的不同部位对试探函数提出不同的精度要求，往往由于局部精度的要求问题的求解很困难。所以这类方法一般用于求解函数交规则和边界条件较简单的问题。 分片插值的思想是有限元法与里兹法的一个重要区别，它是针对每一个单元选择试探函数（也称插值函数），积分计算也是在单元内完成。由于单元形状简单，所以容易满足边界条件，且用低阶多项式就可获得整个区域的适当精度。对于整个求解域而言，只要试探函数满足一定条件，当单元

26、尺寸缩小时，有限元就能收敛于实际的精确解。 从以上分析可知，有限元法是差分法的一种发展，又可以看成是里兹法的一种新形式。它兼顾了两者的优点，同时克服了各自的不足，因而具有更大的优越性和实用性。2.3 ANSYS的主要功能ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，目前，有限元法从它最初应用的固体力学领域，已经推广到温度场、流体场、电磁场、声场等其他连续介质领域。在固体力学领域，有限元法不仅可以用于线性静力分析，也可以用于动态分析，还可以用于非线性、热应力、接触、蠕变、断裂、加工模拟、碰撞模拟等特殊问题的研究。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块

27、前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYS的前处理模块主要有两部分内容：实体建模和网格划分。分析计算模块分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。后处理模块后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了200种以上的单元类型，用来模拟工程中的各

28、种结构和材料。2.4 ANSYS提供的分析类型ANSYS软件提供的分析类型如下：结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载

29、荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。动力学分析结构动力学分析研究结构在动载荷作用的响应（如位移、应力、加速度等得时间历程），以确定结构的承载能力的动力特性等。ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。电磁场分析主

30、要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。流体动力学分析ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。声场分析ANSYS把声学归为流体，程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这

31、些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。第3章 课题任务和分析方法3.1课题任务利用有限元软件ANSYS10.0的结构分析模块对汽车钢板弹簧进行有限元分析。通过建立汽车钢板弹簧的几何模型、有限元模型，对分析模型进行平面静力分析和汽车钢板弹簧分析，学会对有限元分析结果进行分析和优化。3.2分析方法选择网格类型、划分网格定义边界条件、加载创建模型定义材料属性、单元类型做结构静态分析获取应力分布拾取应变值仿真分析结束仿真结束改变实体参数依照图示的此种方法对钢板弹簧的接触应力和钢板弹簧应力进行仿真分析。在分析钢板弹簧的应力是需要注意的是右图在划分网

32、格类型和定义边界条件中间所应夹一接触对的建立的方框，对于应力仿真分析大致与右图的分析方法一致。3.3 本课题的研究方法由于ANSYS自身的建模比较繁琐，采用借助第三方3D设计软件建立模型，然后导入到ANSYS分析，也是目前比较公认的快捷方法。本课题借助UG设计3D模型。第4章 钢板弹簧的研究对象和UG 钢板弹簧建模4.1钢板弹簧研究对象概述4.1.1 选择研究对象以长安星卡SC1022D7为例，此车属于微卡系列，根据前人提供的理论计算数据分析其后钢板悬架的3D模型和有限元分析其是否合理。 图3-1 长安星卡SC1022D7实图4.1.2 钢板弹簧悬架主要元件的选择和确定根据前人的计算和参阅相关

33、该车型的相关资料和实际测量，对该车后钢板弹簧悬架的相关参数进行如下的归纳总结：(1) 钢板弹簧的种类的选择： 长安星卡SC1022D7车型是轻型货车，后悬架载荷变化不大。考虑经济适用性，选用线性悬架的普通多片钢板弹簧。选用普通多片钢板弹簧，如下图所示，这种弹簧主要用在载货汽车和大客车上，弹簧弹性特性如图所示，呈线性特性。 图3-2 普通多片钢板弹簧(2) 钢板弹簧主要元件结构的选择：1.钢板弹簧断面形状的选择： 图3-3 矩形断面簧片图3-3的矩形断面簧片由于制造简单，目前应用的比较多。矩形断面的中性轴位于断面中央，钢板上下表面的拉应力和压应力是相等的，由于材料的抗拉性能比抗压性能差，因此矩形

34、断面钢板弹簧在承受拉应力的一面易破坏。一般轻型汽车多用此类型的簧片，但考虑长安星卡SC1022D7车型是轻型货车，矩形断面许用应力足够，而且加上制造方便，成本低，选用图3-3矩形断面。2.簧片端部形状的选择： 图3-4梯形端部片端呈矩形的簧片间摩擦阻力较大，增大了弹簧刚度。钢板弹簧不仅减小了弹簧片间摩擦，而且降低弹簧刚度，改善弹簧应力分布。端部压延弹簧由于增加了端部轧制工艺，使弹簧制造工艺复杂了。综合考虑选择梯形端部形状。 3.弹簧卷耳的选择：钢板弹簧卷耳一般有3种结构25 26，即下卷耳、上卷耳和平卷耳，如下图所示。上卷耳使用的较多，采用下卷耳主要是为了协调钢板弹簧与转向系的运动，下卷耳在载

35、荷作用下容易张开，强度不易保证；平卷耳可以减少卷耳的应力，因为纵向力作用方向和弹簧主片断面的中心线重合，对于不能增加主片厚度又但要保证主片卷耳强度的弹簧多采用平卷耳。但是平卷耳制造比上述两种卷耳复杂，制造费用较高，一般轿车多采用平卷耳或下卷耳。对于轻型货车常用上卷耳，故长安星卡SC1022D7可采用上卷耳图3-5，可以避免下卷耳的强度不足和上卷耳的制作费用较高的缺点.图3-5上卷耳4. 弹簧包耳的选择汽车在使用条件恶劣的情况下，需要采用加强卷耳的措施。常见的是将第二片弹簧作成包耳形式，以保护主片。包耳常见的有14包耳(图3-6)和34包耳(图3-7)。轻型车或厢式客车多采用14包耳，而大型载货

36、汽车和大型客车多采用34包耳。本车长安星卡SC1022D7属于微卡，故本车采用14包耳。图3-6 14包耳图3-7 34包耳5. 钢板弹簧中心螺栓中心螺栓的作用，除了夹紧各片弹簧外，又是安装钢板弹簧的定位销。中心螺栓在U形螺栓松动时易剪断，因此应有一定的强度。由于中心螺栓直径大小将影响弹簧断面强度，因此其直径不宜做的过大，一般与簧片厚度相等。下表是推荐的中心螺栓直径尺寸。中心螺栓一般用15MnVB材料作成，机械性能等级为8.8级。对于重型载货汽车，中心螺栓多用40Cr或40MnB制成。表3-8 中心螺栓直径尺寸中心螺栓直径810121416簧片厚77991111131316中心孔直径8.510

37、.512.514.516.5本车类型为轻卡，故簧片不用太厚，初步预定簧片厚度不大于7毫米。因此由上表得出中心螺栓直径先初步确定为8mm，由此得中心孔直径为8.5，螺栓由15MnVB材料作成。6. 弹簧夹箍的选择弹簧夹箍除了防止弹簧各片横向错位之外，还能在弹簧回弹时，将力传递给其他簧片，减少主片应力。弹簧夹箍结构如下图所示。目前使用最多的是可拆式夹箍，如下图a。为了防止弹簧横向扭曲时在簧片上产生过大的应力，在夹箍和弹簧片表面之间会留有一定的间隙，一般不小于1.5mm，夹箍与弹簧片侧面间隙为0.51mm。对于不经常拆装换片的弹簧，大都采用了不可拆式夹箍，如下图b，这种夹箍结构简单，减少制造费用，而

38、且弹簧装配方便，多用于轿车和轻型载货汽车上。图4-18 可拆式夹箍图4-19 不可拆式夹箍此车采用图b所示的不可拆式夹箍，结构简单，费用低。4.1.3 钢板弹簧主要元件的主要数据参数1 弹簧载荷在设计时，根据整车布置给定的空、满载轴载荷质量减去估算的非簧载质量，得到在每副弹簧上的承载质量。一般将前、后轴，车轮，制动鼓及转向节等总成视为非簧载质量，将传动轴、转向纵拉杆等总成一半也视为非簧载质量。如果钢板弹簧布置在车桥上方，弹簧34的质量为非簧载质量；下置弹簧，则14弹簧质量为非簧载质量。本车考虑到车内人员的舒适性，悬架采用将钢板弹簧布置在车桥的下方，这样就可减少非簧载质量。收集资料后得到长安星卡

39、SC1022D7的数据如下。表4-2非簧载质量kg前悬架簧载质量kg后悬架簧载质量kg空载340340200满载6408002 汽车前后轴的轴距查数据得此车的后车轴轴距为2500mm 3 钢板弹簧的具体计算参数 钢板弹簧多数情况下采用55SiMnVB钢或60SiMn钢制造。本车选用60SiMn。钢材弹性模数E=2.110，Nmm。表4-3钢板弹簧片的参数片号各片长度（mm）各片有效长度（mm）各片厚度（mm）各片宽度（mm）110009556.255210009556.2553774.5729.56.25545495046.2555323.5278.56.255 (备注：此表来自相关计算和车型

40、实际测量) 自由状态下的钢板弹簧片的综合弯曲曲率为=1280mm。 钢板弹簧总惯性矩J=5461.7；弹簧总断面系数=1762，弹簧各片断面系数 =352.4 4.2钢板弹簧的3D建模设计4.2.1 进入UG的操作界面点新建进入零件界面,如下图.选中参考面进入草图环境.3D建模引用的数据来自上述表格， 以下是纯粹的软件基本操作知识。在这不一一截图 。只把每个步骤做出的结果进行截图处理。方便对照和参考。 1、生成带卷耳的第一片钢板弹簧。 2、 生成带包耳的第二片钢板弹簧。 3、 前三片钢板弹簧4、 生成第四片5、 生成第五片6、 建立约束固定7、完整的一个钢板弹簧形成了。 第5章 钢板弹簧的有限

41、元分析5.1有限元分析的基本步骤预处理阶段：（1）建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元。（2）假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数。（3）对单元建立方程。（4）将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵。（5）应用边界条件、初值条件和负荷。解决阶段：（6）求解线性或非线性的微分方程组，以得到节点的值。后处理阶段：（7）得到其他重要的信息。5.2 有限元分析过程与步骤5.2.1 转换模型格式需要把UG的模型转化为ANSYS可以读取的方式。选择保存方式为*.x_t格式的文件。1、从程序中启动ANSYS10.0的界面。2、打开ANSYS窗口。3、ANSYS分

42、析目录一旦设定好，以后ANSYS软件操作所产生的所有文件都将存放在此目录下，建议对不同的分析用不同的工作目录，这样可确保每次分析所产生的文件不会覆盖的危险。如果没有指定工作目录，默认的工作目录为系统所在盘的根目录。工作目录设置方式有两种：l 在进入ANSYS软件之前通过入口选项所进行的设置；l 进入ANSYS软件后，可通过如下方法实现： 命令方式：在命令输入窗口中输入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目录）； GUI方式：Utility MenuChange Directory，在弹出的对话框中填入指定的工作目录，单击【确定】按钮。如图所示。4、调入我们刚才保存的*.x_t文件。6、建

43、立结构分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析标题）；GUI方式：Main MenuPreference，在弹出的如图2.14所示的对话框中框中选取某个选项使以后出现的图形界面中过滤掉与选定分析选项无关模块的内容，本书主要讲述结构分析，因此选取Structural(结构)7、选取和定义单元.下面将给出添加单元类型具体的GUI操作路径，对于单元的选项，由于和具体的单元类型有关，在这里将不做具体的介绍。此处以添加PLANE42单元作为例子来介绍添加单元的操作步骤。具体操作步骤如下：依次选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹

44、出Element Types(单元类型)对话框，如图所示。如果想改变单元的其他输入选项（即上文提及的KEYOPTs）单击【Options】按钮。出现如图所示的element type options（单元类型选项）对话框。确定后单击【OK】按钮，如有需要了解各设置的具体说明，可查看ANSYS帮助文件。返回到如图所示的对话框后单击【Close】按钮，结束单元类型的添加。8、定义材料属性 单击MainPreprocessorMaterial PropsMaterial Models弹出定义材料属性对话框如图所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下单击Frictio

45、n Coefficient弹出如图所示对话框，填入Mu：0.3.，至此材料属性定义完成，下一步进入网格划分。9、网格划分实体建模的最终目的划分网格以生成节点和单元，生成节点和单元的网格划分过程分为两个步骤：（1）定义单元属性；（2）定义网格生成控制并生成网格。 10、求解与加载固定约束类型对话框提示施加力约束施加力约束施加力约束施加力的图（放大模式）求解结果提示。后处理图解Y方向位移图解位移图解应力图解应力图解应力密度图解总结和钢板弹簧的优化设计分析。本文通过对钢板弹簧精确建模，进而进行接触应力和弯曲应力分析，得出如下结论：通过应力云图可以看出钢板弹簧在中心部位处属于应力集中，最容易发生破坏。

46、中心部位应该加工，也说明中间部位材料比较厚实的正确性和合理性质。从而也证明了在ANSYS中进行应力应变分析的正确性，从而可以大大减少试验费用，降低成本，为齿轮的优化设计和可靠性设计打下坚实的的基础，进而可以优化结构或者优化材料和工艺，最终实现结构、材料和工艺的创新设计。总结与展望一、总结首先通过对钢板弹簧的弹性特性进行分析，熟悉钢板弹簧的组成和类别。然后研究一些对汽车行驶平顺性和操纵稳定性有影响的因素，并通过对这些因素的分析和研究，综合考虑各个因素，要清楚地知道所要设计的悬架应符合的要求。接着对长安星卡SC1022D7车型的已有数据进行分析计算，通过一系列的数据，分析出一套钢板弹簧系统。最后，运用三维