CN105808872A - 一种车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法，其特征是：针对钢板弹簧的预应力和大变形效应,建立自由状态下的钢板弹簧几何模型并导入有限元软件中进行分析；通过对板簧座施加位移约束及对前后吊耳处施加理论轴荷获得钢板弹簧工作状态下的应力分布进而获得钢板弹簧模态结果文件；通过采集车辆在耐久性试验道路上的实验数据，获得相对加速度的功率谱密度；针对获得的钢板弹簧模态结果文件，以获得的功率谱密度为载荷输入，在有限元软件中执行随机振动分析，提取虚拟样机在随机激励下的动态响应结果并依照高斯三区间法估算钢板弹簧在耐久性试验道路上的疲劳性能。本发明方法结果准确、运算效率高。

Description

一种车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法

技术领域

本发明涉及一种钢板弹簧疲劳分析方法，更具体地说尤其是应用于汽车悬架可靠性的评估的车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法。

背景技术

可靠性是衡量汽车质量水平的重要指标之一。钢板弹簧是连接车桥与车身的关键汽车零部件，用于缓冲路面激励、提高乘坐舒适性。鉴于汽车行驶过程中，钢板弹簧承受着来自随机路面的冲击载荷，受力状况较为复杂，其失效模式主要表现为疲劳失效，因此，疲劳寿命的核算称为钢板弹簧设计制造中的主要研究内容之一。现有的钢板弹簧设计大多是采用静强度校核或正弦载荷校核疲劳强度，然后通过台架试验或者道路试验不断修改优化，直到满足设计里程为止。整个开发周期长，试验代价昂贵。

发明内容

本发明是为了避免上述疲劳寿命改进方法的不足，提供一种车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法，以便能够获得更为精确的疲劳寿命评价结果，从而为钢板弹簧的设计提供指导，避免钢板弹簧发生过早的失效断裂现象。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法，所述钢板弹簧是应用在汽车悬架中、由若干片曲率不同的簧片利用螺栓和板簧座夹持形成弹性元件；所述钢板弹簧具有三种状态，分别是自由状态、装配状态和工作状态；自由状态的钢板弹簧中各簧片呈自由状态；装配状态是指在自由状态的基础上利用螺栓和板簧座的夹持，将各簧片装配成曲率相同的整体构件，在簧片上形成预应力；工作状态下的钢板弹簧，其板簧座与车后桥固定连接；钢板弹簧的前后吊耳通过衬套与车身连接，在车辆轴荷的作用下，钢板弹簧由装配状态变形为受力平衡状态，形成大变形效应；

本发明车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法的特点是：所述车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析是按如下步骤进行：

步骤1、针对钢板弹簧的预应力和大变形效应，按如下方式获得利用有限元软件生成的钢板弹簧模态结果文件；

A、在三维建模软件中建立自由状态下的钢板弹簧几何模型，将所述钢板弹簧几何模型导入有限元软件，利用实体单元对所述几何模型进行离散并在各簧片之间建立接触对，建立钢板弹簧虚拟样机；

B、针对所述钢板弹簧虚拟样机，通过对板簧座施加位移约束使钢板弹簧由自由状态变成装配状态，所述对板簧座施加位移约束的位移约束量等于呈自由状态下的钢板弹簧中所有相邻两簧片之间的间隙之和，所述间隙是指处在螺栓孔中轴线上位置处的间隙；

C、利用整车参数计算获得板簧前后吊耳处的垂向载荷理论值，并将所述垂向载荷理论值施加于所述钢板弹簧虚拟样机的前后吊耳处，在激活应力刚度效应后执行静力分析，获得钢板弹簧在工作状态下的应力分布以及包含有所述应力分布的轴荷作用下变形后的有限元模型；

D、利用有限元方法对所述轴荷作用下变形后的有限元模型执行重构计算以考虑大变形效应，获得重构模型；

E、针对所述重构模型激活有限元软件模态分析模块中的预应力效应，求解获得钢板弹簧模态结果文件；

步骤2、采集获得耐久性试验的试验数据：

设置各传感器，包括：在板簧座底部设置底座传感器、在前吊耳处设置前传感器，在后吊耳处设置后传感器，所述各传感器均为加速度传感器，所述加速度传感器用于检测获得对应位置上的垂向加速度；

将满载状态下的车辆在耐久性试验道路上进行试验，车辆行驶里程为一整圈耐久性试验道路，分别获得试验中各传感器的采集信号作为试验数据，所述试验数据分别是由底座传感器采集获得的底座加速度a₀(t)、由前传感器采集获得的前加速度a₁(t)，以及由后传感器采集获得的后加速度a₂(t)；

令：l₁为螺栓中轴到前传感器的水平距离、l₂为螺栓中轴到后传感器的水平距离；

定义：相对加速度a(t)，则有：

利用所述相对加速度a(t)获得功率谱密度函数S_f(ω)；

步骤3、在有限元软件的随机振动模块中，针对步骤1获得的钢板弹簧模态结果文件，以所述功率谱密度函数S_f(ω)作为载荷输入，执行随机振动分析，提取虚拟样机在随机激励下的动态响应结果，所述动态响应结果包括随机激励下各簧片的应力标准差最大值σ以及随机激励下钢板弹簧振动平均频率v；

步骤4、利用虚拟样机在随机激励下的动态响应结果，依照高斯三区间法进行估算，获得可表征钢板弹簧疲劳性能的耐久性试验道路上理论可行驶圈数L为：

其中：

n₁＝0.6831νT；n₂＝0.2710νT；n₃＝0.0433νT

T为车辆在耐久性试验道路上进行试验中信号采集过程持续的时长；

N₁、N₂和N₃分别为钢板弹簧材料在一倍σ值、二倍σ值和三倍σ值的时的应力水平下所对应的可循环的次数，所述可循环的次数依据钢板弹簧材料性能中的应力-寿命曲线，即S-N曲线查得。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法结合有限元方法与道路测试方法，在频域中利用随机振动结果进行寿命核算，计算量不大且结果精度高。

2、利用本发明方法可以有效缩短钢板弹簧的设计周期、降低其可靠性试验代价。

附图说明

图1为本发明钢板弹簧自由状态示意图；

图2为本发明钢板弹簧装配状态示意图；

图中标号：1簧片，2螺栓孔，3螺栓、4板簧座，5前吊耳、6后吊耳。

具体实施方式

本实施例中车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法，其钢板弹簧是应用在汽车悬架中、由若干片曲率不同的簧片利用螺栓和板簧座夹持形成弹性元件，如图1和图2所示，本实施例中共有三片簧片1，在各簧片的中心设置有螺栓孔2；钢板弹簧具有三种状态，分别是自由状态、装配状态和工作状态；图1所示的自由状态的钢板弹簧中各簧片1呈自由状态；图2所示的装配状态是指在自由状态的基础上利用螺栓3和板簧座4的夹持，如图2所示，将各簧片装配成曲率相同的整体构件，在簧片上形成预应力；工作状态下的钢板弹簧，其板簧座4与车后桥固定连接；钢板弹簧的前吊耳5和后吊耳6分别通过衬套与车身连接，在车辆轴荷的作用下，钢板弹簧由装配状态变形为受力平衡状态，形成大变形效应。

本实施例中车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析是按如下步骤进行：

步骤1、针对钢板弹簧的预应力和大变形效应，按如下方式获得利用有限元软件生成的钢板弹簧模态结果文件；

A、在三维建模软件中建立自由状态下的钢板弹簧几何模型，为便于后续步骤分析，使自由状态下的钢板弹簧各簧片处于初始接触状态，该状态为各簧片相互接触，但没有相互作用力。将钢板弹簧几何模型导入有限元软件，利用实体单元对几何模型进行离散并设置材料参数，在各簧片之间建立面-面接触对，从而建立钢板弹簧虚拟样机。

B、针对钢板弹簧虚拟样机，通过对板簧座施加位移约束使钢板弹簧由自由状态变成装配状态，为使得各簧片之间能够达到相互夹紧的效果，对板簧座施加位移约束的位移约束量等于呈自由状态下的钢板弹簧中所有相邻两簧片之间的间隙之和，间隙是指处在螺栓孔中轴线上位置处的间隙。

C、利用整车参数计算获得板簧前后吊耳处的垂向载荷理论值，并将垂向载荷理论值施加于钢板弹簧虚拟样机的前后吊耳处，在激活应力刚度效应后执行静力分析，获得钢板弹簧在工作状态下的应力分布以及包含有应力分布的轴荷作用下变形后的有限元模型。

D、利用有限元方法对轴荷作用下变形后的有限元模型执行重构计算以考虑大变形效应，获得重构模型，该重构模型在将变形归零的情况下保留了工作状态下的应力分布。

E、针对重构模型激活有限元软件模态分析模块中的预应力效应，求解获得钢板弹簧模态结果文件。由于该模态结果文件考虑了预应力及大变形效应对于工作状态应力的影响，与实际情况更加吻合，将有助于提高结果精度。

步骤2、采集获得耐久性试验的试验数据：

设置各传感器，包括：在板簧座底部设置底座传感器、在前吊耳处设置前传感器，在后吊耳处设置后传感器，各传感器均为加速度传感器，加速度传感器用于检测获得对应位置上的垂向加速度，设置采样频率为512Hz可以在后续转换过程中获得精度较高的功率谱密度。

将满载状态下的车辆在耐久性试验道路上进行试验，本实施例中的疲劳分析在耐久性试验道路中进行，耐久性试验道路较之普通道路具有更高的强化系数。车辆行驶里程为一整圈耐久性试验道路，分别获得试验中各传感器的采集信号作为试验数据，试验数据分别是由底座传感器采集获得的底座加速度a₀(t)、由前传感器采集获得的前加速度a₁(t)，以及由后传感器采集获得的后加速度a₂(t)；

令：l₁为螺栓中轴到前传感器的水平距离、l₂为螺栓中轴到后传感器的水平距离；

定义：相对加速度a(t)，则有：

采样相关软件，利用相对加速度a(t)获得功率谱密度函数S_f(ω)；在相关软件中执行计算时，采样频率应选择为与道路试验数据采集中的采样频率相一致。

步骤3、在有限元软件的随机振动模块中，针对步骤1获得的钢板弹簧模态结果文件，以功率谱密度函数S_f(ω)作为载荷输入，执行随机振动分析，在有限元软件的后处理模块中，提取虚拟样机在随机激励下的动态响应结果，动态响应结果包括随机激励下各簧片的应力标准差最大值σ以及随机激励下钢板弹簧振动平均频率v；

步骤4、利用虚拟样机在随机激励下的动态响应结果，依照高斯三区间法进行估算，获得可表征钢板弹簧疲劳性能的耐久性试验道路上理论可行驶圈数L为：

其中：

n₁＝0.6831νT；n₂＝0.2710νT；n₃＝0.0433νT，n₁、n₂和n₃分别为高斯三区间内的载荷循环次数。

T为车辆在耐久性试验道路上进行试验中信号采集过程持续的时长；

N₁、N₂和N₃分别为钢板弹簧材料在一倍σ值、二倍σ值和三倍σ值的时的应力水平下所对应的可循环的次数，可循环的次数依据钢板弹簧材料性能中的应力-寿命曲线，即S-N曲线查得。

本发明方法是基于钢板弹簧总成在自由状态下的几何模型，采用有限元方法获得其在实际工作中包含预应力及大变形效应的模态结果，以实际道路测试获得的相对加速度为载荷，获得板簧在随机激励下的动态响应并依此为基础进行疲劳寿命核算，充分考虑了板簧在装配过程及满载状态的预应力以及从装配到满载状态的大变形，精确获得其在工作状态的模态结果，以相对加速度为载荷求得其在随机激励下的疲劳寿命结果。本发明将板簧的预应力、大变形特性纳入疲劳分析的考虑范围，并以相对加速度的功率谱密度作为载荷输入，获得疲劳结果，本发明方法结果准确、运算效率高。

Claims (1)

1.一种车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析方法，所述钢板弹簧是应用在汽车悬架中、由若干片曲率不同的簧片利用螺栓和板簧座夹持形成弹性元件；所述钢板弹簧具有三种状态，分别是自由状态、装配状态和工作状态；自由状态的钢板弹簧中各簧片呈自由状态；装配状态是指在自由状态的基础上利用螺栓和板簧座的夹持，将各簧片装配成曲率相同的整体构件，在簧片上形成预应力；工作状态下的钢板弹簧，其板簧座与车后桥固定连接；钢板弹簧的前后吊耳通过衬套与车身连接，在车辆轴荷的作用下，钢板弹簧由装配状态变形为受力平衡状态，形成大变形效应；

其特征是：所述车辆悬架钢板弹簧频域疲劳分析是按如下步骤进行：

步骤1、针对钢板弹簧的预应力和大变形效应，按如下方式获得利用有限元软件生成的钢板弹簧模态结果文件；

A、在三维建模软件中建立自由状态下的钢板弹簧几何模型，将所述钢板弹簧几何模型导入有限元软件，利用实体单元对所述几何模型进行离散并在各簧片之间建立接触对，建立钢板弹簧虚拟样机；

B、针对所述钢板弹簧虚拟样机，通过对板簧座施加位移约束使钢板弹簧由自由状态变成装配状态，所述对板簧座施加位移约束的位移约束量等于呈自由状态下的钢板弹簧中所有相邻两簧片之间的间隙之和，所述间隙是指处在螺栓孔中轴线上位置处的间隙；

C、利用整车参数计算获得板簧前后吊耳处的垂向载荷理论值，并将所述垂向载荷理论值施加于所述钢板弹簧虚拟样机的前后吊耳处，在激活应力刚度效应后执行静力分析，获得钢板弹簧在工作状态下的应力分布以及包含有所述应力分布的轴荷作用下变形后的有限元模型；

D、利用有限元方法对所述轴荷作用下变形后的有限元模型执行重构计算以考虑大变形效应，获得重构模型；

E、针对所述重构模型激活有限元软件模态分析模块中的预应力效应，求解获得钢板弹簧模态结果文件；

步骤2、采集获得耐久性试验的试验数据：

设置各传感器，包括：在板簧座底部设置底座传感器、在前吊耳处设置前传感器，在后吊耳处设置后传感器，所述各传感器均为加速度传感器，所述加速度传感器用于检测获得对应位置上的垂向加速度；

将满载状态下的车辆在耐久性试验道路上进行试验，车辆行驶里程为一整圈耐久性试验道路，分别获得试验中各传感器的采集信号作为试验数据，所述试验数据分别是由底座传感器采集获得的底座加速度a₀(t)、由前传感器采集获得的前加速度a₁(t)，以及由后传感器采集获得的后加速度a₂(t)；

令：l₁为螺栓中轴到前传感器的水平距离、l₂为螺栓中轴到后传感器的水平距离；

定义：相对加速度a(t)，则有：

利用所述相对加速度a(t)获得功率谱密度函数S_f(ω)；

步骤3、在有限元软件的随机振动模块中，针对步骤1获得的钢板弹簧模态结果文件，以所述功率谱密度函数S_f(ω)作为载荷输入，执行随机振动分析，提取虚拟样机在随机激励下的动态响应结果，所述动态响应结果包括随机激励下各簧片的应力标准差最大值σ以及随机激励下钢板弹簧振动平均频率v；

步骤4、利用虚拟样机在随机激励下的动态响应结果，依照高斯三区间法进行估算，获得可表征钢板弹簧疲劳性能的耐久性试验道路上理论可行驶圈数L为：

，其中：

n₁＝0.6831νT；n₂＝0.2710νT；n₃＝0.0433νT

T为车辆在耐久性试验道路上进行试验中信号采集过程持续的时长；

N₁、N₂和N₃分别为钢板弹簧材料在一倍σ值、二倍σ值和三倍σ值的时的应力水平下所对应的可循环的次数，所述可循环的次数依据钢板弹簧材料性能中的应力-寿命曲线，即S-N曲线查得。