CN114970042A - 一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，该计算方法包括在有限元软件中将变截面钢板弹簧纵向截面的各个特征点坐标依次以数组形式存入数组x和数组y，然后基于数组x，数组y创建几何特征点；将创建的各个特征点用曲线依次连接，获得变截面板簧的纵向截面，并对纵向截面进行网格划分，然后拉伸面网格单元获得有限元模型；基于有限元模型进行应力求解，依据台架实验对板簧施加的位移，获得应力结果；在有限元软件中，以软件二次开发，自动获得板簧在两种工况下的应力，然后基于疲劳分析理论，自动计算板簧的疲劳寿命。基于本发明的疲劳分析流程大大简化，效率极大提升，缩短了板簧开发周期，具有很大的工程价值。

Description

一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法
技术领域
本发明属于汽车弹簧台架领域，具体涉及一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法。
背景技术
汽车钢板弹簧成本低，维修方便，广泛应用于客车、卡车、皮卡中。变截面钢板弹簧可以实现材料等应力设计，使得材料的性能得到充分的发挥，实现轻量化及降本以及提高汽车舒适性，所以，变截面钢板弹簧广泛应用于新一代的汽车产品中，而传统方法是基于CATIA软件进行CAD设计、然后基于Hypermesh软件进行有限元网格建模、再进行基于ABAQUS软件的有限元应力求解、最后基于femfat软件进行疲劳寿命求解，该疲劳分析流程十分繁琐，计算效率低，延长了板簧的开发周期，不利于生产制造。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术的不足，提供一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，具体采用以下的技术方案：
一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，包括：
在有限元软件(如ABAQUS软件或者ANSYS软件)中将变截面钢板弹簧纵向截面的各个特征点坐标依次以数组形式存入数组x和数组y，然后基于数组x，数组y创建几何特征点；
将创建的各个特征点用曲线依次连接，获得变截面板簧的纵向截面，并对纵向截面进行基于四边形的网格划分，然后拉伸面网格单元获得六面体单元的有限元模型，拉伸宽度为变截面板簧宽度b，每个网格尺寸设定为4mm；
基于有限元模型进行应力求解，在变截面板簧的夹紧端进行全约束，在变截面板簧的卷耳端，依据台架实验对变截面板簧施加的位移，获得应力结果；
在有限元软件中，以软件二次开发，自动化获得变截面板簧在两种工况下的应力，然后基于疲劳分析理论，自动化计算变截面板簧的疲劳寿命。
进一步地，在本发明技术方案中，基于有限元模型进行应力求解，求解工况分为两个，第一个工况为变截面板簧从自由状态压缩到变截面板簧位移D1的工况，求解D1工况下的应力σD1；第二个工况为变截面板簧从自由状态压缩到变截面板簧位移D2的工况，求解D2工况下的应力σD2，其中变截面板簧台架疲劳为变截面板簧在D1和D2之间往复运动。
进一步地，所述计算变截面板簧的疲劳寿命包括如下：
(a)计算变截面板簧在D1位移和D2位移工况下的平均应力σm及应力幅值σa：
平均应力
Figure BDA0003694677560000021
应力幅值
Figure BDA0003694677560000022
(b)将实际工作循环应力，等寿命地转换为对称循环下的应力水平σa(R＝-1)，由Goodman公式：(σa/σa(R＝-1))+(σm/σu)＝1，计算对称循环下的应力水平σa(R＝-1)，其中σu为变截面板簧材料的抗拉强度；
(c)根据抗拉强度估计对称循环下的基本S-N曲线，然后基于SN曲线计算应力为σa(R＝-1)下的疲劳寿命，具体为S-N曲线的近似估计，
假设起点：寿命N＝A，有σN＝A＝0.9σU，
假设终点：寿命N＝B时，有σN＝B＝σf＝K*σU，σf为疲劳极限，K为系数(在计算变截面板簧疲劳寿命时，K取0.5)，A和B为数值；
由Basquin公式：(0.9*σu)m*103＝(Kσu)m*106＝C计算可得m和C，m和C为参数，
从而可计算变截面板簧在对称循环下的应力水平σa(R＝-1)疲劳寿命N，计算结果如下：
N＝C/(σa(R＝-1))m。
本发明的有益效果为：公开了基于参数化建模及分析的变截面的钢板弹簧的台架疲劳寿命快速计算方法，计算台架的疲劳寿命效率高，相较于传统方法，疲劳分析流程大大简化，效率极大提升，缩短了变截面板簧开发周期，具有很大的工程价值。
附图说明
图1所示为本发明一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法的流程图；
图2所示为单片钢板弹簧的三维模型；
图3所示为单片钢板弹簧半侧参数图；
图4所示为单片钢板弹簧自动化创建几何特征点图；
图5所示为单片钢板弹簧外轮廓图；
图6所示为单片钢板弹簧平面绘制图；
图7所示为单片钢板弹簧的面映射网格图；
图8所示为单片钢板弹簧实体图；
图9所示为单片钢板弹簧从自由状态到D1位移工况下的应力结果图；
图10所示为单片钢板弹簧从自由状态到D2位移工况下的应力结果图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。附图中各处使用的相同的附图标记指示相同或相似的部分。
实施例1
一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，包括如下步骤：
S100.在有限元软件(如ABAQUS软件或者ANSYS软件)中将变截面钢板弹簧纵向截面的各个特征点坐标依次以数组形式存入数组x，数组y，然后基于数组x，数组y创建几何特征点；
S200.将创建的各个特征点用曲线依次连接，获得变截面板簧的纵向截面，并对纵向截面进行基于四边形的网格划分，然后拉伸面网格单元获得六面体单元的有限元模型，拉伸宽度为变截面板簧宽度b，每个网格尺寸设定4mm；
S300.基于有限元模型进行应力求解，在变截面板簧的夹紧端进行全约束，在变截面板簧的卷耳端，依据台架实验对变截面板簧施加的位移，获得应力结果；
S400.在有限元软件中，以软件二次开发，自动化获得变截面板簧在两种工况下的应力，然后基于疲劳分析理论，自动化计算变截面板簧的疲劳寿命。
具体地，在步骤S300中，求解工况分为两个，第一个工况为变截面板簧从自由状态压缩到变截面板簧位移D1的工况；第二个工况为变截面板簧从自由状态压缩到变截面板簧位移D2的工况，其中变截面板簧台架疲劳为变截面板簧在D1和D2之间往复运动。
以单片簧为例，疲劳寿命快速计算方法流程如下：
如图2和3所示，图2为单片钢板弹簧(以下简称板簧)的三维模型，图3为单片钢板弹簧的一半的二维图纸(图2方框所示部分，截面尺寸参数)，以板簧固定端为坐标原点，记录板簧截面变化处的x坐标，x＝[0，70，110，110+434，110+434+50，110+434+100，694，0，694]，y＝[0，0，3，7，7，3，3，15，15]。本例在ABAQUS软件中建模，依次根据数组x，数组y的坐标自动化创建几何特征点，如图4所示，然后将几何特征点依次连接获得板簧的外轮廓，如图5所示，然后基于图5进行曲线绘制平面(如图6所示)，基于平面几何自动化绘制面映射网格如图7所示，对面映射网格进行拉伸获得六面体实体网格，尺寸为4mm，拉伸长度为板簧的实际宽b，本实施例中b＝60mm，结果如图8。在图8模型基础上创建边条件求解(约束固定端，在卷耳端施加位移)，求解板簧从自由状态到D1位移工况下的应力σD1，结果如图9所示，σmin＝σD1＝638Mpa；求解板簧从自由状态到D2位移工况下的应力σD2，如图10所示，σmax＝σD2＝1117Mpa。
本实施例台架疲劳寿命计算方法如下：
1.本实施例板簧材料的抗拉强度σu＝1350MPa，应力幅值
Figure BDA0003694677560000041
平均应力
Figure BDA0003694677560000042
将实际工作循环应力，等寿命地转换为对称循环下的应力水平σa(R＝-1)，由Goodman公式：
(σa/σa(R＝-1))+(σm/σu)＝1
可得：
对称循环下的应力水平σa(R＝-1)＝684.3Mpa。
2、根据抗拉强度估计对称循环下的基本S-N曲线：
S-N曲线的近似估计，假设起点：寿命N＝10e3，有σN＝10e3＝0.9σU；
假设终点：寿命N＝10e6时，有σN＝10e6＝σf＝K*σU，K＝0.5；
由Basquin公式有：(0.9*σu)m*103＝(kσu)m*106＝C；
所以：
m＝3/(lg(0.9/k)＝11.75；C＝1.78e39；
所以有板簧在σa(R＝-1)＝684.3Mpa应力下的疲劳寿命计算结果如下：
N＝C/(σa(R＝-1))m＝851660次。
当求解新的板簧应力和疲劳寿命时，仅需要重新输入x，y坐标参数，板簧宽度b，台架加载位移D1，D2值即可，重新运行程序就可以获得结果。
以三片簧为例，分别求解三片簧片(簧片1、簧片2、簧片3)在台架工况下的位移D1，D2，然后分别基于单片簧台架疲劳寿命快速计算方法求解三片簧的疲劳寿命即可。
尽管本发明的描述已经相当详尽且特别对几个所述实施例进行了描述，但其并非旨在局限于任何这些细节或实施例或任何特殊实施例，而是应当将其视作是通过参考所附权利要求考虑到现有技术为这些权利要求提供广义的可能性解释，从而有效地涵盖本发明的预定范围。此外，上文以发明人可预见的实施例对本发明进行描述，其目的是为了提供有用的描述，而那些目前尚未预见的对本发明的非实质性改动仍可代表本发明的等效改动。

Claims (8)

1.一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，包括：
在有限元软件中将变截面钢板弹簧纵向截面的各个特征点坐标依次以数组形式存入数组x，数组y，然后基于数组x，数组y创建几何特征点；
将创建的各个特征点用曲线依次连接，获得变截面板簧的纵向截面，并对纵向截面进行网格划分，然后拉伸面网格单元获得六面体单元的有限元模型，拉伸宽度为变截面板簧宽度b；
基于有限元模型进行应力求解，在变截面板簧的夹紧端进行全约束，在变截面板簧的卷耳端，依据台架实验对变截面板簧施加的位移，获得应力结果；
在有限元软件中，以软件二次开发，自动化获得变截面板簧在两种工况下的应力，然后基于疲劳分析理论，自动化计算变截面板簧的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，基于有限元模型进行应力求解，求解工况分为两个，第一个工况为变截面板簧从自由状态压缩到变截面板簧位移D1的工况，求解D1工况下的应力σD1；
第二个工况为变截面板簧从自由状态压缩到变截面板簧位移D2的工况，求解D2工况下的应力σD2，其中板簧台架疲劳为变截面板簧在D1和D2之间往复运动。
3.根据权利要求1所述的一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，每个网格尺寸设定为4mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，计算变截面板簧的疲劳寿命包括如下：
(a)计算变截面板簧在D1位移和D2位移工况下的平均应力σm及应力幅值σa：
平均应力
Figure FDA0003694677550000011
应力幅值
Figure FDA0003694677550000012
(b)将实际工作循环应力，等寿命地转换为对称循环下的应力水平σa(R＝-1)，由Goodman公式：(σa/σa(R＝-1))+(σm/σu)＝1，计算对称循环下的应力水平σa(R＝-1)，其中σu为变截面板簧材料的抗拉强度；
(c)根据抗拉强度估计对称循环下的基本S-N曲线，然后基于SN曲线计算应力为σa(R＝-1)下的疲劳寿命N，具体为S-N曲线的近似估计，
假设起点：寿命N＝A，有σN＝A＝0.9σU，
假设终点：寿命N＝B时，有σN＝B＝σf＝K*σU，σf为疲劳极限，K为系数，A和B为预估数值；
由Basquin公式：(0.9*σru)m*103＝(Kσu)m*106＝C计算可得m和C，m和C为参数，
从而可计算变截面板簧在对称循环下的应力水平σa(R＝-1)疲劳寿命N，计算结果如下：
N＝C/(σa(R＝-1))m。
5.根据权利要求4所述的一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，计算变截面板簧疲劳寿命时，K取0.5。
6.根据权利要求1所述的一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，在计算单片钢板弹簧台架疲劳寿命时，变截面板簧宽度b为60mm。
7.根据权利要求1所述的一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，有限元软件选择ABAQUS软件或ANSYS软件。
8.根据权利要求1所述的一种汽车变截面钢板弹簧台架疲劳寿命快速计算方法，其特征在于，在计算三片钢板弹簧台架疲劳寿命时，需分别求解三片簧片在台架工况下的位移D1和位移D2。
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