屈翔 张小锋 李影杰
摘 要：少片变截面钢板弹簧在货车、牵引车上逐渐普及运用。本文建立了某公司少片变截面钢板弹簧的有限元模型，并进行了应力分析，得到其应力从中间向两端先增大后减小的变化趋势，满足材料的许用应力要求；参照国标GB/T 19844-2005中的试验规范，进行了疲劳寿命的有限元分析和试验验证工作：由疲劳寿命云图可知，板簧发生破坏时的载荷循环次数为11.6万次；断裂位置最容易发生在距离板簧中心安装点为116.1mm～145.4mm处，该处正是应力最大的地方；通过疲劳寿命试验，验证了有限元法对建立钢板弹簧模型的正确性。 关键词：少片变截面钢板弹簧；有限元分析；疲劳寿命
1.少片变截面钢板弹簧的应力分析
1.1 少片变截面钢板弹簧的几何模型
根据某公司的产品，该少片变截面板簧由三片变截面式钢板组成，装配体的几何模型导入MD Patran中如图1所示。
图1 几何模型
1.2 网格划分
对少片变截面钢板弹簧采用实体单元；考虑板簧的结构细节，其应力集中、非线性、大变形的特点，采用精度较好、注重几何细节的8节点六面体单元；由于存在截面尺寸变化的，故每片簧采用3层网格划分，板簧单片高为25mm，宽度方向100mm。划分好的网格如图2所示，总共有34588个六面体单元[1]。
图2 网格模型
1.3 材料属性
根据产品图纸，该少片簧材料为50CrVA，热处理温度中淬火温度为1120T，回火温度为770T，淬火介质是油；力学性能：抗拉强度1275 (N/mm2)，屈服强度1130(N/mm2)，断面收缩率20%[2]弯曲刚度。
1.4 载荷及边界条件的确定
根据钢板弹簧的安装要求与工作特点，规定其在卷耳的两端处只沿X方向移动，固定其YZ方向的移动；在模型的中间位置只沿Y轴移动，固定其XZ方向的移动[3]。
采用MPC约束，预定接触区域内的单元全定义为接触体，采用deformable body，接触算法选用增强的拉格朗日法；摩擦采用库仑模型，摩擦因数取0.1。求解器为sol600，设置30步的时间增量步。每增量步迭代次数设为20。在所有边界条件及载荷设置完成之后，提交Nastran进行计算。汽车储物箱
1.5 应力云图及分析
由应力云图（图3）可知，少片变截面钢板弹簧的应力从中间向两端先逐渐增大后逐渐减小，最大值为1330MPa，卷耳处的应力约在300MPa左右，都满足材料的许用应力要求。
图3 应力云图
2.少片变截面钢板弹簧疲劳仿真分析
小家电控制板对于车用钢板弹簧来说，由于经历的载荷循环次数较多，一般采用应力作为疲劳性能的控制参量[4]。
板簧Y方向强制位移的确定，根据钢板弹簧实验的国家标准GB/T 19844-2005，各片中部不
等厚的少片变截面钢板弹簧：
式中：药物枕头
ΣI0—根部总惯性矩；
Le— 钢板弹簧有效作用长度； Le=L-as
（s为U型螺栓夹紧距离，a为无效长度系数，一般取0.5)盲源分离
F'夹—总成夹紧刚度，F'夹=(L/Le)3×F'自
F'自—板簧自由状态下的理论计算刚度。
带入相应数据，求得比应力为14.076MPa。由公式f=σ/可求振幅为23mm，823.5MPa变形为58.5mm，预加变形为25.5mm。所以等寿命转换后的Y方向强制位移约束为48.59mm。
3.疲劳试验验证
3.1 试验方法与设备
目前企业基于2005年7月发布的GB/T 19844-2005标准，采用的疲劳试验项目是垂直负荷下的疲劳试验。试验采用的疲劳试验机如图4所示。
图4 疲劳试验机
3.2 试验结果
根据上述试验方法，疲劳试验在13.6万次后，第一片发生断裂，断裂部位为距中心孔122.2mm的位置。断口形貌如图5所示。表1为仿真计算结果和试验结果的对比[5]。
图5 断裂形貌
表1 仿真计算结果和试验结果对比
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以上分析可知，计算疲劳寿命和试验疲劳寿命在预测断裂位置时具有比较高的精度，在预测断裂前的疲劳寿命时，误差率为14.71%。考虑到疲劳分析的特殊性，此误差率能够达到
预期。
4.结语
（1）通过对少片变截面钢板弹簧强度进行仿真分析，得到其应力从中间向两端先增大后减小的变化趋势，都满足材料的许用应力要求。
（2）由疲劳寿命云图可知，板簧发生破坏时的载荷循环次数为11.6万次；断裂位置最容易发生在距离板簧中心安装点为116.1mm～145.4mm处，该处正是应力最大的地方。
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