CN101866378A - 一种用机械仿真分析软件adams求解板簧刚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用机械仿真分析软件ADAMS求解板簧刚度的方法，第一步，根据板簧的图纸确定板簧的基本尺寸参数；第二步，应用CATIA软件建立三维模型，进行合理分段，选取必要的坐标点；第三步，在ADAMS/View中创建Point硬点、Box块和Beam梁，在Beam梁属性设置中提出等效中面法，创建接触力Contact；第四步，进行板簧受力-变形曲线仿真分析环境设置，应用平板与球体接触加载载荷的方法，得仿真曲线。本发明解决了目前ADAMS软件建立板簧柔性体模型的问题，以及对其受力-变形曲线进行仿真设置问题，对提高机械仿真软件建模、分析、求解的准确性和计算的速度具有重要意义。

Description

一种用机械仿真分析软件ADAMS求解板簧刚度的方法

技术领域

本发明涉及板簧刚度仿真计算研究领域，尤其涉及一种应用机械仿真分析软件ADAMS建立板簧模型和仿真刚度曲线的分析方法。

背景技术

板簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，其作用是把车架与车桥用悬挂的形式连接在一起，承受车轮对车架的载荷冲击，消减车身的剧烈振动，保持车辆行驶的平稳性和对不同路况的适应性。刚度是板簧一个重要的物理参数，直接影响车辆悬架和整车的各项性能。

随着现代理论的发展和计算水平的提高，传统的集中载荷法和共同曲率法都被现代的计算机软件仿真计算所替代。ADAMS机械仿真分析软件是汽车动力学分析最常用的软件，在ADAMS软件建模过程中，板簧的柔体建模、刚度仿真计算是悬架分析的一个重要组成，也是其中最复杂的一项技术。

目前在Adams中建立板簧柔性体模型计算分析的方法主要有：Beam梁法、有限元法和中性面法等几种。Beam梁法是利用ADAMS软件中的离散体概念，建立板簧模型，这种方法需要各片板簧的几何形状来确定无质量的梁参数，如截面积、惯性矩等，如果要得到足够精度的计算结果，需要将各片板簧离散足够多的段，这样将导致计算工作量大大增加。有限元模态法要求在运用ADAMS或者有限元软件建模时，必须建立完全模型，而该方法对于板簧的大变形情况不太适应，需特别考虑。中性面法因为模型自由度较少，计算速度较快，计算准确性高，适用范围广，是比较适用的一种方法，但是目前使用的中性面法对板簧的截面属性的计算是作如下处理的：对板簧截面抗扭常数I_xx的计算，将每一片弹簧进行叠加；对于截面惯性矩I_zz的计算，也对每片板簧的惯性矩进行叠加。

实际上，板簧在扭转过程中，主要由第一片和第二片承担扭矩，板簧在承受Y向力时，第一片板簧承受了绝大部分的力，在属性计算时，各片对力的影响因素不同，将所有板簧片的属性直接叠加可能会导致较大的误差。

而且，在进行仿真分析的设置时，目前普通采用的在板簧模型中部建立哑物体，然后加载集中载荷进行仿真的方法产生的误差比较大，很难得到精度较高的受力一变形曲线，即无法求出较准确的刚度值。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种用机械仿真分析软件ADAMS求解板簧刚度的方法，该方法为中性面法的修正方法，基于等效中面法建立板簧柔性体模型，通过板-球接触加载载荷的仿真分析方法实现板簧刚度的精确计算。

本发明的技术解决方案是：该方法运用等效中面法建立模型，应用平板和球体的接触加载载荷进行仿真分析；其特征在于：等效中面法建立任何形式的板簧模型，所有主簧简化为在某个等效中性面的单片主簧，即沿板簧厚度方向中间层组成的近似曲面，再将中性面按厚度基本相等原则分成若干等强度直线段，利用ADAMS中的Beam梁单元来模拟这些等刚度直线段，按板簧中性面上各段真实特性设定Beam梁单元相关参数，Beam梁属性中计算I_xx时将前两片板簧的抗扭系数相加，计算截面惯性矩I_zz只取第一片板簧的惯性矩，主簧和副簧之间的接触利用ADAMS中提供的Contact接触力来实现；在板簧模型的夹紧区域中部建立一个球体，在球体上方创建一个大平板，创建接触力连接平板与球体，在平板上方加载集中载荷，在ADAMS/Postprocessor中绘制板簧的受力-变形曲线。

其中，该方法包括以下步骤：第一步，根据板簧的图纸确定板簧的基本尺寸参数；第二步，应用CATIA软件建立三维模型，进行合理分段，选取必要的坐标点；第三步，在ADAMS/View中创建Point硬点、Box块和Beam梁，在Beam梁属性设置中提出等效中面法，创建Contact接触力；第四步，进行板簧受力-变形曲线仿真分析环境设置，应用平板与球体接触加载载荷的方法，得到受力-变形仿真曲线。

其中，该方法的具体步骤如下：

第一步：图纸查阅，确定板簧基本尺寸参数；此步骤是基础，要想准确建立模型，必须首先确定板簧的基本尺寸参数；如果图纸查阅有困难，采用实体测绘的方法确定基本尺寸；

第二步：CATIA三维软件建立板簧模型

(1)主、副簧建模，根据基本尺寸建立主、副簧模型，包括主簧两端的吊耳和卷耳；

(2)主、副簧分段，在CATIA中将建好的主、副簧模型进行分段处理，为ADAMS创建Box块做好准备，分段一定要依据以下原则：

①在厚度不一样的地方一定要分段；

②剩余的部分可以近似随意划分；

③划分的段数越多越精确；

(3)在模型中取点，这里，在模型中取点包括两部分工作，一是为ADAMS建立Box块确定基本硬点坐标，二是为ADAMS建Beam梁确定坐标，即取每一片的宽度和厚度两个方向的中心线的交点坐标保存下来；

第三步：ADAMS/View模块建立板簧模型

(1)创建Point硬点，根据第二步(3)中取点的坐标创建硬点；

(2)创建Box块，根据第二步(3)中的第一部分取点所得坐标、CATIA中分段的长度和板簧的厚度，创建Box块，Box块的数量等于CATIA中分段数量；

(3)创建Beam梁，夹紧区的Box块不用建立Beam梁；

(4)设置Beam梁属性，创建的Beam梁的属性需要根据Box块的基本尺寸参数和板簧材料属性进行计算和设置，因为每个Box块的厚度有差别，所以在参数设置过程中某些参数是不同的，设置规律如下：

①抗扭常数I_xx：

$I_{\mathrm{xx}}={\mathrm{ac}}^3[\frac{16}{3}-3.36\frac{c}{a}(1-\frac{c^4}{12a^4})],(a\≥c)$

a，c分别为Box块截面矩形的长边和短边边长的一半；

此处，将第一片和第二片板簧的抗扭系数相加；

②截面惯性矩I_yy：

$I_{\mathrm{yy}}=\mathrm{\Σ}{i}_{\mathrm{yy}}=\mathrm{\Σ}\frac{{\mathrm{bh}}^3}{12}$

式中：b为板簧片的宽度，h为板簧片的厚度，下同。

③截面惯性矩I_zz

I_zz＝hb³/12

此处，只取第一片板簧的惯性矩；

④剪切面积A：

A＝∑bh

另外，Y/Z Shear Area Ration一般均取1.2，YoungModules和Shear Modules根据材料属性取值，Damp Ratio一般取0.02；

(5)创建Contact接触力，在副簧与主簧接触的大致位置创建一对Marker和Plane，或取在副簧上表面边缘的中心处，然后在它与主簧的接触位置所在的Box块下平面创建Plane；

第四步：模型建立完成之后进行虚拟仿真分析绘制受力-变形曲线

(1)设置虚拟仿真条件，在板簧夹紧区域，创建一个直径较大的球体，直径具体不作要求，应高出副簧最低点，在球体上方创建一个平板，平板的尺寸不作要求，要大于板簧的宽度，创建球体和平板的Contact接触；

(2)绘制板簧受力-变形曲线，选择板簧夹紧区的中心作为考察变形的一个代表点，对其设置函数，读取其移动距离的绝对值，对平板垂直向下加载集中载荷，在ADAMS/Postprocessor中绘制受力与变形曲线；

(3)计算刚度值，板簧的刚度根据其性能状态有2个值，根据上步中的曲线分别求出其曲线斜率，即为板簧的刚度值。

本发明的优点是：1、应用ADAMS软件精确建立板簧柔性体模型，应用平板和球体的接触加载载荷的方式进行仿真环境设置，进而绘制板簧的受力-变形曲线，仿真求解其刚度值，该方法精确模拟板簧的刚度性能实验，提高了板簧刚度仿真计算的精度，加快了计算速度，具有很好的工程应用价值。

2、本发明的方法是中性面法的修正方法，在进行仿真分析的设置时无需建立完全模型，在计算I_xx时将前两片板簧的抗扭系数相加，计算截面惯性矩I_zz只取第一片板簧的惯性矩，计算工作量小，产生的误差较少，得到的受力-变形曲线精度较高，求出的刚度值正确，实现板簧刚度的精确计算，满足设计要求。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明的板簧结构示意图。

图3是本发明的CATIA建模、分段示意图。

图4是本发明的Box块取点示意图。

图5是本发明的Beam梁取点示意图。

图6是本发明的Beam梁属性设置示意图。

图7是本发明的Contact接触力设置示意图。

图8是本发明的ADAMS板簧模型示意图。

图中：1为Beam梁分段，2为夹紧区，3、4、5、6分别为取得的点。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步详细说明本发明的技术解决方案，实施例不应理解为是对技术解决方案的限制。

实施例1：以图2所示的某渐变刚度板簧为例进行说明计算。

1.图纸查阅，确定板簧基本尺寸参数；如表1所示，为板簧具体的结构参数；

表1板簧结构参数

2.CATIA三维软件建立板簧模型

(1)主、副簧建模，根据基本尺寸建立主、副簧模型，还有主簧两端的吊耳和卷耳；

(2)主、副簧分段，将主簧夹紧区两侧各划分11段，第一片副簧每侧各划分7段，第二片副簧每侧各划分5段，第三片副簧每侧各划分3段，如图3所示；

(3)在模型中取点，在模型中取点包括两部分工作，一是为ADAMS建立Box块确定基本硬点坐标，即从板簧的一侧边缘开始，第一段要取3个点，然后取第二段的一个分界点，依此类推，将每一段所需的点取好，保存其3维坐标值，如图4所示；二是为ADAMS创建Beam梁确定坐标，即取每一片的宽度和厚度两个方向的中心线的交点坐标保存下来，如图5所示；

3.ADAMS/View模块建立板簧模型

(1)创建Point硬点，根据2(3)中取点的坐标创建硬点；

(2)创建Box块，根据2(3)中的第一部分取点所得坐标和CATIA中分段的长度和板簧的厚度，创建Box块，Box块的数量等于CATIA中分段数量；

(3)创建Beam梁，依次选择第一Box块上的点，第二Box块上的点，创建一个与第一点x、z坐标相同，但是y坐标不同的点，连接此点与第一点的直线所在的方向创建Beam梁，依此类推，创建所有Box块与Box块之间的Beam梁；

(4)设置Beam梁属性，如图6所示为属性设置界面，此例中，Beam梁的属性值设置如表2所示；

表2Beam梁属性设置

(5)创建Contact接触力，在副簧与主簧接触的位置创建一对Marker和Plane，Marker取在副簧上表面边缘的中心处，然后在它与主簧接触位置所在Box块的下表面创建Plane；完成后的模型如图8所示；

4.模型建立完成之后进行虚拟仿真分析绘制受力-变形曲线

(1)设置虚拟仿真条件，在板簧夹紧区域，创建一个直径为50mm的球体，在球体上方创建一个平板，长500mm，宽400mm，平板下表面距离球心70mm，创建球体和平板的Contact接触，设置好的仿真环境；

(2)绘制板簧受力-变形曲线，选择板簧夹紧区的中心，对其设置函数ABS(DZ(MARKER_735，MARKER_730))，读取其移动距离的绝对值，对平板垂直向下加载集中载荷50000Newton，在ADAMS/Postprocessor中绘制受力与变形曲线；

(3)计算刚度值，在副簧起作用时，刚度为50.85N/mm；在静载和动载状态下刚度为172.5N/mm。

板簧的实验验证：为了验证仿真结果，进行了台架试验；试验时，板簧在试验台上的装夹，完全按照其在汽车上的实际安装状态进行，即将测试的板簧用支架、吊耳、板簧销及固定板仿效汽车的车架装在试验台上；激振器安装在试验台，试验时对板簧施加载荷19KN；激振器使载荷围绕静载荷变化，通过力传感器和动态应变仪分别测取载荷和变形的信息，传给计算机进行数据处理；为此板簧的刚度试验曲线图，经过试验所得曲线计算得到的刚度值分别是50.5和166.0，与本发明所提仿真方法所得结果十分接近。

Claims (3)

1.一种用机械仿真分析软件ADAMS求解板簧刚度的方法，该方法运用等效中面法建立模型，应用平板和球体的接触加载载荷进行仿真分析；其特征在于：等效中面法可建立任何形式的板簧模型，所有主簧简化为在某个等效中性面的单片主簧，即沿板簧厚度方向中间层组成的近似曲面，再将中性面按厚度基本相似原则分成若干等强度直线段，利用ADAMS中的Beam梁单元来模拟这些等刚度直线段，按板簧中性面上各段真实特性设定Beam梁单元相关参数，Beam梁属性中计算I_xx时将前两片板簧的抗扭系数相加，计算截面惯性矩I_zz只取第一片板簧的惯性矩，主簧和副簧之间的接触利用ADAMS中提供的Contact接触力来实现；在板簧模型的夹紧区域中部建立一个球体，在球体上方创建一个大平板，创建接触力连接平板与球体，在平板上方加载集中载荷，在ADAMS/Postprocessor中绘制板簧的受力-变形曲线。

2.根据权利要求1所述的一种用机械仿真分析软件ADAMS求解板簧刚度的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第一步，根据板簧的图纸确定板簧的基本尺寸参数；第二步，应用CATIA软件建立三维模型，进行合理分段，选取必要的坐标点；第三步，在ADAMS/View中创建Point硬点、Box块和Beam梁，在Beam梁属性设置中提出等效中面法，创建Contact接触力；第四步，进行板簧受力-变形曲线仿真分析环境设置，应用平板与球体接触加载载荷的方法，得受力-变形仿真曲线。

3.根据权利要求2所述的一种用机械仿真分析软件ADAMS求解板簧刚度的方法，其特征在于该方法包括以下具体步骤：

第一步：图纸查阅，确定板簧基本尺寸参数；此步骤是基础，要想准确建立模型，必须首先确定板簧的基本尺寸参数；如果图纸查阅有困难，采用实体测绘的方法确定基本尺寸；

第二步：CATIA三维软件建立板簧模型

(1)主、副簧建模，根据基本尺寸建立主、副簧模型，包括主簧两端的吊耳和卷耳；

(2)主、副簧分段，在CATIA中将建立好的主、副簧模型进行分段处理，为ADAMS建立Box块做好准备，分段一定要依据以下原则：

①在厚度不一样的地方一定要分段；

②剩余的部分可以近似随意划分；

③划分的段数越多越精确；

(3)在模型中取点，这里，在模型中取点包括两部分工作，一是为ADAMS建立Box块确定基本硬点坐标，二是为ADAMS建Beam梁确定坐标，即取每一片的宽度和厚度两个方向的中心线的交点坐标保存下来；

第三步：ADAMS/View模块建立板簧模型

(1)创建Point硬点，根据第二步(3)中取点的坐标创建硬点；

(2)创建Box块，根据第二步(3)中的第一部分取点所得坐标和CATIA中分段的长度和板簧的厚度，创建Box块，Box块的数量等于CATIA中分段数量；

(3)创建Beam梁，夹紧区的Box块不用建立Beam梁；

(4)设置Beam梁属性，创建的Beam梁属性需要根据Box块的基本尺寸参数和板簧材料属性进行计算和设置，因为每个Box块的厚度有差别，所以在参数设置过程中某些参数是不同的，设置规律如下：

①抗扭常数I_xx：

$I_{\mathrm{xx}}={\mathrm{ac}}^3[\frac{16}{3}-3.36\frac{c}{a}(1-\frac{c^4}{12a^4})],(a\≥c)$

a，c分别为Box块截面矩形的长边和短边边长的一半；

此处，将第一片和第二片板簧的抗扭系数相加；

②截面惯性矩I_yy：

$I_{\mathrm{yy}}={\mathrm{\Σi}}_{\mathrm{yy}}=\mathrm{\Σ}\frac{{\mathrm{bh}}^3}{12}$

式中：b为板簧片的宽度，h为板簧片的厚度，下同。

③截面惯性矩I_zz

I_zz＝hb³/12

此处，只取第一片板簧的惯性矩；

④剪切面积A：

A＝∑bh

另外，Y/Z Shear Area Ration一般均取1.2，YoungModules和Shear Modules根据材料属性取值，Damp Ratio一般取0.02；

(5)创建Contact接触力，在副簧与主簧接触的大致位置创建一对Marker和Plane，或取在副簧上表面边缘的中心处，然后在它与主簧接触位置的那个Box块的下平面创建Plane；

第四步：模型建立完成之后进行虚拟仿真分析绘制受力-变形曲线

(1)设置虚拟仿真条件，在板簧夹紧区域，创建一个直径较大的球体，直径具体不作要求，应高出副簧最低点，在球体上方创建一个平板，平板的尺寸不作要求，要大于板簧的宽度，创建球体和平板的Contact接触；

(2)绘制板簧受力-变形曲线，选择板簧夹紧区的中心作为考察变形的一个代表点，对其设置函数，读取其移动距离的绝对值，对平板垂直向下加载集中载荷，在ADAMS/Postprocessor中绘制受力与变形曲线；

(3)计算刚度值，板簧的刚度根据其性能状态有2个值，根据上步中的曲线分别求出其曲线斜率，即为板簧的刚度值。

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