CN104963978A - 一种复合材料板弹簧 - Google Patents

Abstract

本发明属于板弹簧领域，具体涉及一种复合材料板弹簧，其簧身为抛物线形状，簧身中部设有凸台结构；所述复合材料板弹簧的铺层分为五个区域，从上至下分为A、B、C、D和E区域；A和D区域为一定层数等长的长铺层；B区域由一定层数等长长铺层与长度渐变铺层组成，较长铺层与较短铺层交替排布，B区域采用遗传算法优化铺层顺序；C区域由一定层数短铺层形成凸台结构；E区域为一定层数的平纹布铺层；A、B和D区域各铺层纤维排布方向均与复合材料板弹簧的簧身纵向一致。本发明所述复合材料板弹簧具有轻量化、无需中部钻孔、提高疲劳寿命和端部接头的强度的优势。

Description

一种复合材料板弹簧

技术领域

本发明属于板弹簧领域，具体涉及一种应用于汽车悬架的复合材料板弹簧。

背景技术

汽车工业作为一种技术密集型产业，其迅速发展与新材料和工艺的研发密不可分，随着人们对汽车轻量化的要求越来越高，汽车零部件所采用的钢和合金等材料开始逐步被轻质复合材料所取代。树脂基复合材料，包括玻璃纤维增强树脂基复合材料和碳纤维增强树脂基复合材料，其具有轻质高强度、性能可设计、耐腐烛性好、减振性强、容易成型和工艺简单等特点，且其疲劳极限比较高、对应力集中敏感性小，已广泛应用于汽车工业。

板弹簧多用于车辆底盘的减震，以往用弹簧钢制造，自重较大，对车辆的冲击力大。复合材料板弹簧在轻量化方面具有显著优势，对其开发、使用已成为国内外学者关注的热点，纤维增强树脂基复合材料板弹簧的概念和优势已经逐渐被国内业内人员所了解。

CN100553953公开了一种玻璃钢复合材料板弹簧的制造方法，所制得复合材料板弹簧的铺层为：以板弹簧厚度的中心面为基准，靠近板弹簧上、下表面的纤维材料层为连续扩展到整个板弹簧长度方向的外层；靠近所述中心面的纤维材料层为长度朝着板弹簧中心方向渐次递减的内层，在渐次递减的内层中，间隔铺设有连续扩展到整个板弹簧长度方向的中间层。

虽然，国内外学者针对汽车复合材料板弹簧做了大量研究，但关于抛物线形状复合材料板弹簧的研究尚少，且现有抛物线形状复合材料板弹簧的疲劳过程中较长铺层与较短铺层交接处容易产生裂纹，且产生的裂纹容易汇合，进而造成复合材料板弹簧的剥离分层破坏，造成复合材料板弹簧的疲劳寿命短。

发明内容

本发明目的是提供一种复合材料板弹簧，在现有汽车悬架复合材料板弹簧的基础上，对复合材料板弹簧的铺层结构进行改进，以提高复合材料板弹簧的疲劳寿命，并实现整车轻量化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，结合附图说明如下：

首先引入各铺层长度的阶数概念：对于一个存在较长铺层与较短铺层交替排列的铺层序列，比两相邻铺层都长的铺层称为较长铺层；比两相邻铺层都短的铺层称为较短铺层；所有铺层称为第一阶铺层；去除第一阶铺层中的较短铺层后剩余的铺层为第二阶铺层；如果第二阶铺层中仍存在较长铺层与较短铺层交替排布的铺层结构，那么去除第二阶铺层中的较短铺层后，剩余的铺层为第三阶铺层，更高阶铺层的概念以此类推；如果第N阶铺层中不再有较长铺层与较短铺层交替排布的铺层结构，则称铺层的阶数为N；铺层阶数越小裂纹越不容易扩展汇合。

一种复合材料板弹簧，所述复合材料板弹簧的簧身为抛物线形状，簧身中部设有凸台结构；所述复合材料板弹簧的铺层分为五个区域，从上至下依次为A、B、C、D和E区域；所述A和D区域为一定层数的等长的长铺层；所述B区域由一定层数的等长的长铺层与一定层数的长度渐变铺层组成，较长铺层与较短铺层交替排布；所述C区域由一定层数的短铺层；所述E区域为一定层数的平纹布铺层；所述A、B和D区域各铺层纤维排布方向均与复合材料板弹簧的簧身纵向一致。

所述复合材料板弹簧为纤维增强树脂基复合材料板弹簧。

所述A、D区域的铺层长度和B区域的长铺层长度均与复合材料板弹簧长度一致。

所述B区域各阶铺层中，除最后一阶铺层外，各阶排布形式均为较长铺层与较短铺层交替排布的结构，且铺层排布顺序采用遗传算法优化。

所述C区域各铺层纤维排布方向均与复合材料板弹簧的簧身纵向一致。

所述C区域各铺层纤维排布方向均还可以与复合材料板弹簧的簧身成一定角度。

所述E区域分布在两端螺栓孔区域上下两侧。

所述E区域还可以分布在螺栓孔区域上下任意一侧。

与现有汽车复合材料板弹簧相比，本发明有益效果为：

(1)复合材料板弹簧的簧身采用材料利用率较高的抛物线板簧形状，具有轻量化水平高的特点；

(2)无需对复合材料板弹簧中部钻孔；

(3)有效地提高了复合材料板弹簧的疲劳寿命；

(4)有效地提高了端部接头的强度。

附图说明

图1为本发明汽车复合材料板弹簧轴测图。

图2为本发明汽车复合材料板弹簧铺层方法的各区域分布图。

图3为本发明汽车复合材料板弹簧结构示意图。

图4为本发明汽车复合材料板弹簧铺层结构示意图，图中△代表A区域，□代表B区域，▲代表C区域，О代表D区域，●代表E区域。

图5为优化后B区域铺层长度排布规律图，图中*、О、□代表的铺层总和为第一阶铺层；去除*代表的铺层后，О、□代表的铺层为第二阶铺层；□代表的铺层为第三阶铺层。

具体实施方式

下面结合附图描述本发明的实施例，但本发明并不局限于此：

如图1-图2所示，一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述复合材料板弹簧的簧身为抛物线形状，簧身中部设有凸台结构；所述复合材料板弹簧的铺层分为五个区域，从上至下依次为A、B、C、D和区域E；所述A区域为一定层数的等长的长铺层；所述B区域含有一定层数的等长的长铺层与一定层数的长度渐变铺层，且铺层排布形式为较长铺层与较短铺层交替排布；所述C区域含有一定层数的短铺层；所述D区域为含有一定层数的等长的长铺层；所述E区域为一定层数的平纹布铺层区域；所述A、B和D区域各铺层纤维排布方向均与复合材料板弹簧的簧身纵向一致。

所述复合材料板弹簧为纤维增强树脂基复合材料板弹簧。

所述A区域的铺层长度均与复合材料板弹簧长度一致，可用于承受复合材料板弹簧工作过程中上部的拉应力，以保证复合材料板弹簧所必需的强度；且可以使长度渐变的铺层置于复合材料板弹簧工作应力较小厚度中部区域，以避免较长铺层与较短铺层交接位置应力过大。

所述B区域的长铺层长度均与复合材料板弹簧长度一致，渐变铺层的长度变化使所组成的复合材料板弹簧的外形呈抛物线板弹簧形状；B区域中除最后一阶铺层外，各阶排布形式均为较长铺层与较短铺层交替排布的结构，这样可以防止较长铺层与较短铺层交接位置产生裂纹后多个裂纹扩展汇合。

采用遗传算法对B区域的铺层排布顺序进行优化，使除最后一阶铺层外的各阶铺层中，所有较短铺层与相邻两两较长铺层的长度差的倒数之和最小，以降低相邻较短铺层端部位置与较长铺层端部位置两位置产生的裂纹扩展汇合的难易程度；使各较短铺层与较长铺层的交接位置应力不超过一定值，并且应力较大的较短铺层与较长铺层交接位置离复合材料板弹簧端部尽量远，以使交接位置不容易产生裂纹，以及产生裂纹后不容易扩展到端部，造成复合材料板弹簧的结构破坏。

所述C区域铺层方向均与簧身纵向一致，也可根据实际需要变为其他角度，形成的凸台结构，用于中部安装定位，可避免在复合材料板弹簧中部钻孔，使铺层在较大受力位置处受到损伤，对复合材料板弹簧的强度造成较大影响，并使板弹簧实现正确定位配合。

所述D区域铺层长度均与复合材料板弹簧长度一致，可用于承受复合材料板弹簧工作过程中下部的压应力，以保证复合材料板弹簧所必需的强度；同时，D区域中可以将长度渐变的铺层置于复合材料板弹簧工作应力较小厚度中部区域，以避免较长铺层与较短铺层交接位置应力过大，并且可对B区域及C区域的凸台结构铺层起到包裹作用，防止B区域和C区域铺层的剥离脱落，以保证复合材料板弹簧结构的稳定。

所述E区域分布在两端螺栓孔区域上下两侧，也可根据实际需要分布在螺栓孔区域上下任意一侧，可加强端部螺栓孔的强度，以提高端部接头在复合材料板弹簧工作过程中的疲劳寿命。

实施例1

如图3所示，为本实施例复合材料板弹簧的外形结构，其铺层层数共59层，除E区域外，各层排布均以各层长度方向上中点为基准点，并通过有限元建模分析，提取各较长铺层与较短铺层交接位置所在横截面的应力分布数据。

如图4所示，A区域各铺层长度均为1359mm，铺层层数为7层；B区域长铺层长度均为1359mm，铺层层数为11层，长度渐变铺层层数为21层；C区域用于形成凸台结构的短铺层共10层；D区域各铺层长度均为1385mm，铺层层数为6层；E区域共有4层平纹布铺层，分布在端部接头螺栓孔区域上下各2层；

如图5所示，为对B区域铺层顺序采用如下遗传算法进行优化的结果，铺层阶数为3阶；各铺层在复合材料板弹簧的簧身部分为等宽，宽度为70mm，接头区域宽度为60mm，各层厚度均为0.808mm。

采用遗传算法对B区域铺层顺序进行优化的具体方法如下：

a.基因的编码

直接用各层的序号进行编码，以四个铺层优化为例：[1，3，2，4]代表给定的铺层长度数据表排列的顺序为第一层排在第一位，第三层排在第二位，第二层排在第三位，第四层排在第四位。

b.初始群体的生成

生成长度为B区域铺层层数32，数量为种群个体总数200个的1到32所有整数的随机组合序列。

c.适应度评估

假设各阶铺层中从第二层到倒数第二层的各层与相邻层的最短距离为d_imin，则为使较短的长度差有较大的影响系数，取各最短距离的倒数和作为相邻铺层长度差的影响因子，即

${\mathrm{para}}_d=\underset{i=2}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{d_{i\min }}$

其中n为B区域各阶铺层的铺层总数。

第i个较长铺层与较短铺层交接位置处的应力比σ_ri定义为：该断层所在位置的应力σ_i与材料所能承受的相应最大应力σ_max(拉应力或压应力)之比，即

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ri}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_{\max }}$

设该交接位置距端部的距离为l_i，则应力与到端部的距离影响因子para_σl定义为 ${\mathrm{para}}_{\mathrm{\σl}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ri}}}{l_i}$

其中，n为长度渐变铺层总数。

设各阶铺层中不满足长短交替排布的铺层数为nf₁，各交接位置应力比大于0.2的断层数为nf₂，总的适应度评价指标为：

fit＝para_d·para_σl·[1+(nf₁+nf₂)²]

d.基因的交叉操作

基因的交叉分三步进行：首先，在父代个体中随机选择一个交叉的区域，例如A＝532847196，B＝976138524，随机选择交叉区域后，A＝53|2847|196，B＝97|6138|524；其次，先将B个体的交叉区域加到A个体的最前面，同时将A个体的交叉区域加到B个体的最前面，这样得到新个体A＇＝6138|532847196，B＇＝2847|976138524；最后，在新个体A＇和B＇交配区域后删除与交配区域重复的自然数，最终得到新个体为A″＝613852479，B″＝284796135。此种交叉方法有较大的优势，能产生类似变异的作用，对维持种群个体基因的多样性有较大作用。

e.基因的变异操作

个体的变异操作分以下三步进行：首先，随机选取要变异的基因数n；其次，在个体基因序列中随机选取n个要变异的基因位；最后，对选取的n个基因位上的基因进行重新随机排列。

本发明所述复合材料板弹簧的铺层结构能有效降低复合材料板弹簧疲劳过程中，较长铺层与较短铺层交接处裂纹的产生及所产生裂纹的汇合，能有效预防复合材料板弹簧整体的剥离分层破坏。因此，本发明对提高复合材料板弹簧的疲劳性能具有重要意义。

Claims (8)

1.一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述复合材料板弹簧的簧身为抛物线形状，簧身中部设有凸台结构；所述复合材料板弹簧的铺层分为五个区域，从上至下依次为A、B、C、D和E区域；所述A和D区域为一定层数的等长的长铺层；所述B区域由一定层数的等长的长铺层与一定层数的长度渐变铺层组成，较长铺层与较短铺层交替排布；所述C区域由一定层数的短铺层；所述E区域为一定层数的平纹布铺层；所述A、B和D区域各铺层纤维排布方向均与复合材料板弹簧的簧身纵向一致。

2.根据权利要求1所示的一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述复合材料板弹簧为纤维增强树脂基复合材料板弹簧。

3.根据权利要求2所述的一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述A、D区域的铺层长度和B区域的长铺层长度均与复合材料板弹簧长度一致。

4.根据权利要求3所述的一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述B区域各阶铺层中，除最后一阶铺层外，各阶排布形式均为较长铺层与较短铺层交替排布的结构，且铺层排布顺序采用遗传算法优化。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述C区域各铺层纤维排布方向均与复合材料板弹簧的簧身纵向一致。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述C区域各铺层纤维排布方向均与复合材料板弹簧的簧身成一定角度。

7.根据权利要求1所述的一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述E区域分布在两端螺栓孔区域上下两侧。

8.根据权利要求1所述的一种复合材料板弹簧，其特征在于：所述E区域分布在螺栓孔区域上下任意一侧。