CN106951639B - 一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合MNF模拟方法，该方法以车架系统中的板簧作为柔性体，在板簧装配状态下通过空载、半载、满载和超载四种模式并采用多种不同的约束方式试验板簧的非线性特性，以获得不同模式下与测试结果吻合度较高的板簧变刚度特性曲线，从而更充分及真实反映出了柔性体的物理特征；同时在非线性车轮与非线性变刚度板簧之间建立了正确的约束和连接，有效弥补了柔性体与柔性车轮之间的柔性体与柔性体之间的理论缺陷，对于车架系统的正向研发具有较强的指导作用。

Description

一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法
技术领域
本发明涉及车架系统刚柔耦合计算方法技术领域，具体涉及一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法。
背景技术
车架系统是传递作用在车轮与车架之间的一切力和力矩，并且缓和由路面传给车架的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车地行驶；而钢板弹簧是汽车悬架上关键的结构部件,其刚度特性直接影响着车辆的平顺性和道路友好性。MNF，是指在动力学仿真中将柔性体通过一种特殊的处理后，再将模态文件、质量、惯量等信息通过一定的数据转换为动力学的参数文件。刚柔耦合是指动力学仿真中将一部分关键部件进行柔性体处理，再与其他部件进行刚体和柔体的并行运算仿真，一个模型中同时存在柔性体和刚体部件，联合仿真即为刚柔耦合仿真。目前车架系统的刚柔耦合计算方法通常是将有限元的模型自由模态与动力学刚体模型进行并行计算仿真。然而上述有限元的自由模态存在：没有考虑到装配状态下的约束条件，通常并不能反映柔性体的物理特征；同时，也存在柔性体与柔性车轮之间的柔性体与柔性体之间的理论缺陷；由此，现有车架系统刚柔耦合计算方法并不能在非线性车轮与非线性变刚度板簧之间建立正确的约束和连接，因此，对该技术进行理论的创新十分必要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种能反映柔性体的物理特征，并可在非线性车轮与非线性变刚度板簧之间建立正确的约束和连接的非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合MNF模拟方法。
本发明的目的可以通过以下技术手段来实现：
一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，包括以下步骤：
S1.利用实体软件建立车架系统几何模型，所述车架系统包括；车架本体和车桥组合，所述车桥组合包括设置在车架本体上的前车桥和后车桥，所述前车桥和后车桥的结构相同，其结构主要包括板簧、板簧安装吊耳、板簧U型固定装置、车桥和轮胎。
S2.将上述装配中的板簧几何模型导入有限元软件中建立板簧的网格模型。
S3.进行板簧的变刚度非线性拟合，在板簧装配状态下通过不同的约束方式试验板簧的非线性特性，约束点包括：吊耳约束点A、副簧约束点B、中间约束点C、载荷施加点、副簧约束点D和吊耳约束点E，并通过空载、半载、满载和超载四种模式分别计算板簧的刚度值，以获得不同模式下与测试结果吻合度较高的板簧变刚度特性曲线。
S4.根据上述板簧变刚度特性，板簧变形的状态包括板簧变形满载位置、板簧变形超载位置和板簧变形空载位置，将上述三种板簧变形状态及载荷模式全部导入到动力学模型中，建立以板簧为柔性体的车架系统耦合模型。
S5.将变刚度的板簧有限元模型的质量特性与动力学模型中的质量和惯量参数统一，也即将动力学中板簧的质量矩阵和有限元的质量矩阵进行坐标单位变换。
S6.重新选取和转换板簧的刚性点。
S7.进行耦合模型中柔性体的约束转换。
S8.对车架系统进行刚柔耦合约束。
S9.对柔性体进行刚柔耦合模态定义，从而完成钢板弹簧刚柔耦合MNF模拟。
进一步地，S3步骤中所述空载模式下的约束方式：约束点A与约束点E都施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度约束，释放UX方向自由度；约束点B与约束点D不做任何约束，以使副板簧呈现自由状态；约束点C施加约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度约束，释放UZ自由度，使板簧整体呈现Z向平动；4-载荷施加点施加空载约束2744N，根据非线性弧高变化量，计算空载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
进一步地，S3步骤中所述半载模式下的约束方式与空载模式的约束方式相同，4-载荷施加点施加载荷为6000N，根据非线性弧高变化量，计算半载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
进一步地，S3步骤中所述满载模式下的约束方式：约束点A与约束点E都施加约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度约束，释放RY方向自由度；约束点B与约束点D都施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，释放UX方向自由度；约束点C不作任何约束；4-载荷施加点施加载荷12000N，根据非线性弧高变化量，计算空载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
进一步地，S3步骤中所述超载模式下的约束方式与满载模式相同，4-载荷施加点施加载荷23000N，并得出空载模式-半载模式-满载模式刚度特性，空载模式-半载模式-满载模式-超载模式变刚度特性。
进一步地，S6步骤中所述板簧的刚性点选择为：板簧的前吊耳安装点、板簧后吊耳安装点和板簧U型螺栓安装区域刚性点，建立前吊耳、后吊耳和U型螺栓处三处刚性集合，作为动力学模型中的连接硬点。
进一步地，S7步骤中所述耦合模型中柔性体的约束转换为：柔性体约束点A施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，刚柔耦合模型约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度，约束点E约束方式与约束点A相同；柔性体约束点B约束方式：空载模式与半载模式约束0，满载和超载约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，刚柔混合模型约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，约束点D与约束点B约束方式相同；柔性体约束点C约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度，刚柔耦合模型约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度。
进一步地，S8步骤中所述刚柔耦合的约束点包括约束点A、B、C、D、E、F、G、H，约束方法为；约束点A、C、E、G、H约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度，约束点B及约束点D约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，约束点F约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度，再建立与上述约束点相对应的运动副，用以驱动及模拟刚体与柔性体之间的运动关系。
本发明的有益效果：
1)本发明的一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，以板簧作为柔性体，在板簧装配状态下通过空载、半载、满载和超载四种模式并采用多种不同的约束方式试验板簧的非线性特性，以获得不同模式下与测试结果吻合度较高的板簧变刚度特性曲线，从而更充分及真实反映出了柔性体的物理特征。
2)本发明的一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，在非线性车轮与非线性变刚度板簧之间建立了正确的约束和连接，有效弥补了柔性体与柔性车轮之间的柔性体与柔性体之间的理论缺陷，对于车架系统的正向研发具有较强的指导作用。
附图说明
图1为后板簧安装结构示意图；
图2为板簧约束方式示意图；
图3为板簧变刚度曲线示意图；
图4为板簧变形三种状态示意图；
图5为板簧刚性约束点示意图；
图6为模态约束方式示意图；
图7为车架系统刚柔耦合约束方式示意图；
图8为底盘系统刚柔耦合示意图；
图1中，1-后板簧安装吊耳、2-后板簧U型固定装置、3-后车桥、4-轮胎；图2中，11-吊耳约束点A、21-副簧约束点B、31-中间约束点C、41-载荷施加点、51-副簧约束点D、61-吊耳约束点E；图4中，12-板簧变形满载位置、22-板簧变形超载位置、32-板簧变形空载位置；图6中，13-模态约束点A、23-模态约束点B、33-模态约束点C、43-模态约束点D、53-模态约束点E；图7中，14-刚柔耦合约束点A、24-刚柔约束点B、34-刚柔耦合约束点C、44-刚柔耦合约束点D、54-刚柔耦合约束点E、64-刚柔耦合约束点F、74-刚柔耦合约束点G、84-刚柔耦合约束点H；图8中，15-前车桥与柔性体约束A、25-前减震器与柔性体约束B、35-后减震器与柔性体约束C、45-后车桥与柔性体约束D。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，包括以下步骤：
S1.利用实体软件建立车架系统几何模型，车架系统包括；车架本体和车桥组合，车桥组合包括设置在车架本体上的前车桥和后车桥，前车桥和后车桥的结构相同，其结构主要包括板簧、板簧安装吊耳、板簧U型固定装置、车桥和轮胎，也即前车桥的结构就主要包括前板簧、前板簧安装吊耳、前板簧U型固定装置、前车桥和前轮胎，后车桥的结构就主要包括后板簧、后板簧安装吊耳、后板簧U型固定装置、后车桥和后轮胎，如图1所示为后板簧安装结构示意图。
S2.将装配中的板簧几何模型导入有限元软件中建立板簧的网格模型。
S3.如图2-3所示，进行板簧的变刚度非线性拟合，在板簧装配状态下通过不同的约束方式试验板簧的非线性特性，约束点包括：吊耳约束点A、副簧约束点B、中间约束点C、载荷施加点、副簧约束点D和吊耳约束点E，并通过空载、半载、满载和超载四种模式分别计算板簧的刚度值，以获得不同模式下与测试结果吻合度较高的板簧变刚度特性曲线。
1)空载模式下的约束方式：约束点A与约束点E都施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度约束，释放UX方向自由度；约束点B与约束点D不做任何约束，以使副板簧呈现自由状态；约束点C施加约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度约束，释放UZ自由度，使板簧整体呈现Z向平动；载荷施加点施加空载约束2744N，根据非线性弧高变化量，计算空载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
2)半载模式下的约束方式与空载模式的约束方式相同，载荷施加点施加载荷为6000N，根据非线性弧高变化量，计算半载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
3)满载模式下的约束方式：约束点A与约束点E都施加约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度约束，释放RY方向自由度；约束点B与约束点D都施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，释放UX方向自由度；约束点C不作任何约束；载荷施加点施加载荷12000N，根据非线性弧高变化量，计算空载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
4)超载模式下的约束方式与满载模式相同，载荷施加点施加载荷23000N，并得出空载模式-半载模式-满载模式刚度特性，空载模式-半载模式-满载模式-超载模式变刚度特性。
由于有限元建模与物理模型有一定的差异，上述不同模式下的板簧刚度特性需进行刚度修正，因此需将有限模型的板簧摩擦系数及面与面之间的接触等进行参数的修正，修正的参数包括板簧与板簧的接触面区域面积、板簧的刚度弹性模量和板簧接触之间的摩擦系数，通过以上几个参数之间的修正，可得到与测试结果吻合度较高的仿真刚度值。
S4.如图4所示，根据上述板簧变刚度特性，板簧变形的状态包括板簧变形满载位置、板簧变形超载位置和板簧变形空载位置，将上述三种板簧变形状态及载荷模式全部导入到动力学模型中，并根据变刚度进行调整板簧模态，建立以板簧为柔性体的车架系统耦合模型，因此需要将三种板簧的变形状态进行线性和非线性刚度的关联，并将三个变形状态的载荷量与变形进行关联，以保证三种变形状态与板簧的振动振型全部包含，同时进行刚柔耦合时还需要将板簧的刚性连接点做刚性连接输出。
S5.将变刚度的板簧有限元模型的质量特性与动力学模型中的质量和惯量参数统一，也即将动力学中板簧的质量矩阵和有限元的质量矩阵进行坐标单位变换；通常需将动力学模型中的质量和惯量参数关联到有限元的质量和惯量单位，这样进行联合仿真时，刚体和柔性体可进行关联，从而以进行并行和联合计算，质量转换是刚柔耦合一个重要的前提，如果不进行质量转换则输出的振动模态和振动形式将不能进行MNF的模拟。
S6.板簧在进行刚柔耦合时需要进行刚性点的选取和转换，也即重新选取和转换板簧的刚性点。
如图5所示，板簧的刚性点选择为：板簧的前吊耳安装点、板簧后吊耳安装点和板簧U型螺栓安装区域刚性点，建立前吊耳、后吊耳和U型螺栓处三处刚性集合，作为动力学模型中的连接硬点。将前吊耳卷轴内部进行刚性处理，并输出集合文件，约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度；将后吊耳卷轴进行内部刚性处理，并输出集合文件，约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度；将板簧下底面与U型螺栓连接处进行刚性处理，建立刚性集合；从而共建立前后吊耳，U型螺栓处三处刚性集合，作为动力学模型中的连接硬点。
S7.进行耦合模型中柔性体的约束转换。
在柔性体与混合模型中需要进行约束方式的转换，柔性体约束到动力学的混合模型的约束变换是建立刚柔耦合模型的关键。如图6所示，耦合模型中柔性体的约束转换为：柔性体约束点A施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，刚柔耦合模型约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度，约束点E约束方式与约束点A相同；柔性体约束点B约束方式：空载模式与半载模式约束0，满载和超载约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，刚柔混合模型约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，约束点D与约束点B约束方式相同；柔性体约束点C约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度，刚柔耦合模型约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度。
S8.对车架系统进行刚柔耦合约束。
如图7所示，车架系统刚柔耦合的约束点包括约束点A、B、C、D、E、F、G、H，约束方法为；约束点A、C、E、G、H约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度，约束点B及约束点D约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，约束点F约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度，并再建立与上述约束点相对应的运动副，用以驱动及模拟刚体与柔性体之间的运动关系。
S9.对柔性体进行刚柔耦合模态定义，从而完成钢板弹簧刚柔耦合MNF模拟。
动力学模型中车桥组合、柔性体、车架、减震器的连接和约束定义关系如图8所示，前车桥与柔性体约束A通常为约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，使前板簧与前车桥一同运动；前减震器与柔性体约束，一般采用衬套单元模拟连接，可模拟为约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度，UZ自由度添加衬套力单元刚度设置为500N/mm；后减震器与柔性体约束与前车桥方式一致；保持后车桥与变刚度柔性体之间的同步运动。
本发明以板簧作为柔性体，在板簧装配状态下通过空载、半载、满载和超载四种模式并采用多种不同的约束方式试验板簧的非线性特性，以获得不同模式下与测试结果吻合度较高的板簧变刚度特性曲线，从而更充分及真实反映出了柔性体的物理特征；同时在非线性车轮与非线性变刚度板簧之间建立了正确的约束和连接，有效弥补了柔性体与柔性车轮之间的柔性体与柔性体之间的理论缺陷，对于车架系统的正向研发具有较强的指导作用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.利用实体软件建立车架系统几何模型，所述车架系统包括；车架本体和车桥组合，所述车桥组合包括设置在车架本体上的前车桥和后车桥，所述前车桥和后车桥的结构相同，其结构主要包括板簧、板簧安装吊耳、板簧U型固定装置、车桥和轮胎；
S2.将上述板簧在装备中的几何模型导入有限元软件中建立板簧的网格模型；
S3.进行板簧的变刚度非线性拟合，在板簧装配状态下通过不同的约束方式试验板簧的非线性特性，约束点包括：吊耳约束点A、副簧约束点B、中间约束点C、载荷施加点、副簧约束点D和吊耳约束点E，并通过空载、半载、满载和超载四种模式分别计算板簧的刚度值，以获得不同模式下与测试结果吻合度较高的板簧变刚度特性曲线；
S4.根据上述板簧变刚度特性，板簧变形的状态包括板簧变形满载位置、板簧变形超载位置和板簧变形空载位置，将上述三种板簧变形状态及载荷模式全部导入到动力学模型中，建立以板簧为柔性体的车架系统耦合模型；
S5.将变刚度的板簧有限元模型的质量特性与动力学模型中的质量和惯量参数统一，也即将动力学中板簧的质量矩阵和有限元的质量矩阵进行坐标单位变换；
S6.重新选取和转换板簧的刚性点：板簧的刚性点选择为：板簧的前吊耳安装点、板簧后吊耳安装点和板簧U型螺栓安装区域刚性点，建立前吊耳、后吊耳和U型螺栓处三处刚性集合，作为动力学模型中的连接硬点，将前吊耳卷轴内部进行刚性处理，并输出集合文件，约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度；将后吊耳卷轴进行内部刚性处理，并输出集合文件，约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度；将板簧下底面与U型螺栓连接处进行刚性处理，建立刚性集合；从而共建立前后吊耳，U型螺栓处三处刚性集合，作为动力学模型中的连接硬点；
S7.进行耦合模型中柔性体的约束转换：在柔性体与混合模型中需要进行约束方式的转换，柔性体约束到动力学的混合模型的约束变换是建立刚柔耦合模型的关键，耦合模型中柔性体的约束转换为：柔性体约束点A施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，刚柔耦合模型约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度，约束点E约束方式与约束点A相同；柔性体约束点B约束方式：空载模式与半载模式约束0，满载和超载约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，刚柔混合模型约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，约束点D与约束点B约束方式相同；柔性体约束点C约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度，刚柔耦合模型约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度；
S8.对车架系统进行刚柔耦合约束：车架系统刚柔耦合的约束点包括约束点A、B、C、D、E、F、G、H，约束方法为；约束点A、C、E、G、H约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度，约束点B及约束点D约束UX、UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，约束点F约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度，并再建立与上述约束点相对应的运动副，用以驱动及模拟刚体与柔性体之间的运动关系；
S9.对柔性体进行刚柔耦合模态定义，从而完成钢板弹簧刚柔耦合MNF模拟。
2.根据权利要求1所述的一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，其特征在于：S3步骤中所述空载模式下的约束方式：约束点A与约束点E都施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度约束，释放UX方向自由度；约束点B与约束点D不做任何约束，以使副板簧呈现自由状态；约束点C施加约束UX、UY、RX、RY、RZ自由度约束，释放UZ自由度，使板簧整体呈现Z向平动；载荷施加点施加空载约束2744N，根据非线性弧高变化量，计算空载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
3.根据权利要求2所述的一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，其特征在于：S3步骤中所述半载模式下的约束方式与空载模式的约束方式相同，载荷施加点施加载荷为6000N，根据非线性弧高变化量，计算半载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
4.根据权利要求3所述的一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，其特征在于：S3步骤中所述满载模式下的约束方式：约束点A与约束点E都施加约束UX、UY、UZ、RX、RZ自由度约束，释放RY方向自由度；约束点B与约束点D都施加约束UY、UZ、RX、RY、RZ自由度，释放UX方向自由度；约束点C不作任何约束；载荷施加点施加载荷12000N，根据非线性弧高变化量，计算空载模式的板簧变形挠度以得到空载模式板簧刚度。
5.根据权利要求4所述的一种非线性刚度钢板弹簧刚柔耦合模拟方法，其特征在于：S3步骤中所述超载模式下的约束方式与满载模式相同，载荷施加点施加载荷23000N，并得出空载模式-半载模式-满载模式刚度特性，空载模式-半载模式-满载模式-超载模式变刚度特性。
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