專利名稱：一種用機(jī)械仿真分析軟件adams求解板簧剛度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及板簧剛度仿真計(jì)算研究領(lǐng)域，尤其涉及一種應(yīng)用機(jī)械仿真分析軟件 ADAMS建立板簧模型和仿真剛度曲線的分析方法。
背景技術(shù)：
板簧是汽車懸架中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，其作用是把車架與車橋用懸掛的 形式連接在一起，承受車輪對車架的載荷沖擊，消減車身的劇烈振動，保持車輛行駛的平穩(wěn) 性和對不同路況的適應(yīng)性。剛度是板簧一個重要的物理參數(shù)，直接影響車輛懸架和整車的 各項(xiàng)性能。隨著現(xiàn)代理論的發(fā)展和計(jì)算水平的提高，傳統(tǒng)的集中載荷法和共同曲率法都被現(xiàn) 代的計(jì)算機(jī)軟件仿真計(jì)算所替代。ADAMS機(jī)械仿真分析軟件是汽車動力學(xué)分析最常用的 軟件，在ADAMS軟件建模過程中，板簧的柔體建模、剛度仿真計(jì)算是懸架分析的一個重要組 成，也是其中最復(fù)雜的一項(xiàng)技術(shù)。目前在Adams中建立板簧柔性體模型計(jì)算分析的方法主要有Beam梁法、有限元 法和中性面法等幾種。Beam梁法是利用ADAMS軟件中的離散體概念，建立板簧模型，這種方 法需要各片板簧的幾何形狀來確定無質(zhì)量的梁參數(shù)，如截面積、慣性矩等，如果要得到足夠 精度的計(jì)算結(jié)果，需要將各片板簧離散足夠多的段，這樣將導(dǎo)致計(jì)算工作量大大增加。有限 元模態(tài)法要求在運(yùn)用ADAMS或者有限元軟件建模時，必須建立完全模型，而該方法對于板 簧的大變形情況不太適應(yīng)，需特別考慮。中性面法因?yàn)槟Ｐ妥杂啥容^少，計(jì)算速度較快，計(jì) 算準(zhǔn)確性高，適用范圍廣，是比較適用的一種方法，但是目前使用的中性面法對板簧的截面 屬性的計(jì)算是作如下處理的對板簧截面抗扭常數(shù)Ixx的計(jì)算，將每一片彈簧進(jìn)行疊加；對 于截面慣性矩Izz的計(jì)算，也對每片板簧的慣性矩進(jìn)行疊加。實(shí)際上，板簧在扭轉(zhuǎn)過程中，主要由第一片和第二片承擔(dān)扭矩，板簧在承受Y向力 時，第一片板簧承受了絕大部分的力，在屬性計(jì)算時，各片對力的影響因素不同，將所有板 簧片的屬性直接疊加可能會導(dǎo)致較大的誤差。而且，在進(jìn)行仿真分析的設(shè)置時，目前普通采用的在板簧模型中部建立啞物體，然 后加載集中載荷進(jìn)行仿真的方法產(chǎn)生的誤差比較大，很難得到精度較高的受力一變形曲 線，即無法求出較準(zhǔn)確的剛度值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用機(jī)械仿真分析軟件ADAMS求解板簧剛度的方法， 該方法為中性面法的修正方法，基于等效中面法建立板簧柔性體模型，通過板-球接觸加 載載荷的仿真分析方法實(shí)現(xiàn)板簧剛度的精確計(jì)算。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是該方法運(yùn)用等效中面法建立模型，應(yīng)用平板和球體的 接觸加載載荷進(jìn)行仿真分析；其特征在于等效中面法建立任何形式的板簧模型，所有主 簧簡化為在某個等效中性面的單片主簧，即沿板簧厚度方向中間層組成的近似曲面，再將中性面按厚度基本相等原則分成若干等強(qiáng)度直線段，利用ADAMS中的Beam梁單元來模擬這 些等剛度直線段，按板簧中性面上各段真實(shí)特性設(shè)定Beam梁單元相關(guān)參數(shù)，Beam梁屬性中 計(jì)算Ixx時將前兩片板簧的抗扭系數(shù)相加，計(jì)算截面慣性矩Izz只取第一片板簧的慣性矩，主 簧和副簧之間的接觸利用ADAMS中提供的Contact接觸力來實(shí)現(xiàn)；在板簧模型的夾緊區(qū)域 中部建立一個球體，在球體上方創(chuàng)建一個大平板，創(chuàng)建接觸力連接平板與球體，在平板上方 加載集中載荷，在ADAMS/Postprocessor中繪制板簧的受力-變形曲線。其中，該方法包括以下步驟第一步，根據(jù)板簧的圖紙確定板簧的基本尺寸參 數(shù)；第二步，應(yīng)用CATIA軟件建立三維模型，進(jìn)行合理分段，選取必要的坐標(biāo)點(diǎn)；第三步，在 ADAMS/View中創(chuàng)建Point硬點(diǎn)、Box塊和Beam梁，在Beam梁屬性設(shè)置中提出等效中面法， 創(chuàng)建Contact接觸力；第四步，進(jìn)行板簧受力-變形曲線仿真分析環(huán)境設(shè)置，應(yīng)用平板與球 體接觸加載載荷的方法，得到受力-變形仿真曲線。其中，該方法的具體步驟如下第一步圖紙查閱，確定板簧基本尺寸參數(shù)；此步驟是基礎(chǔ)，要想準(zhǔn)確建立模型， 必須首先確定板簧的基本尺寸參數(shù)；如果圖紙查閱有困難，采用實(shí)體測繪的方法確定基本 尺寸；第二步CATIA三維軟件建立板簧模型(1)主、副簧建模，根據(jù)基本尺寸建立主、副簧模型，包括主簧兩端的吊耳和卷耳；(2)主、副簧分段，在CATIA中將建好的主、副簧模型進(jìn)行分段處理，為ADAMS創(chuàng)建 Box塊做好準(zhǔn)備，分段一定要依據(jù)以下原則①在厚度不一樣的地方一定要分段；②剩余的部分可以近似隨意劃分；③劃分的段數(shù)越多越精確；(3)在模型中取點(diǎn)，這里，在模型中取點(diǎn)包括兩部分工作，一是為ADAMS建立Box塊 確定基本硬點(diǎn)坐標(biāo)，二是為ADAMS建Beam梁確定坐標(biāo)，即取每一片的寬度和厚度兩個方向 的中心線的交點(diǎn)坐標(biāo)保存下來；第三步ADAMS/View模塊建立板簧模型(1)創(chuàng)建Point硬點(diǎn)，根據(jù)第二步(3)中取點(diǎn)的坐標(biāo)創(chuàng)建硬點(diǎn)；(2)創(chuàng)建Box塊，根據(jù)第二步(3)中的第一部分取點(diǎn)所得坐標(biāo)、CATIA中分段的長 度和板簧的厚度，創(chuàng)建Box塊，Box塊的數(shù)量等于CATIA中分段數(shù)量；(3)創(chuàng)建Beam梁，夾緊區(qū)的Box塊不用建立Beam梁；(4)設(shè)置Beam梁屬性，創(chuàng)建的Beam梁的屬性需要根據(jù)Box塊的基本尺寸參數(shù)和板 簧材料屬性進(jìn)行計(jì)算和設(shè)置，因?yàn)槊總€Box塊的厚度有差別，所以在參數(shù)設(shè)置過程中某些 參數(shù)是不同的，設(shè)置規(guī)律如下①抗扭常數(shù)Ixx a, c分別為Box塊截面矩形的長邊和短邊邊長的一半；此處，將第一片和第二片板簧的抗扭系數(shù)相加；②截面慣性矩Iyy
式中b為板簧片的寬度，h為板簧片的厚度，下同。③截面慣性矩IzzIzz = hb3/12此處，只取第一片板簧的慣性矩；④剪切面積A A = E bh另夕卜，Y/Z Shear Area Ration 一般均取 1. 2，YoungModules 禾口 Shear Modules 牛艮 據(jù)材料屬性取值，Damp Ratio 一般取0. 02 ；(5)創(chuàng)建Contact接觸力，在副簧與主簧接觸的大致位置創(chuàng)建一對Marker和 Plane，或取在副簧上表面邊緣的中心處，然后在它與主簧的接觸位置所在的Box塊下平面 創(chuàng)建Plane ；第四步模型建立完成之后進(jìn)行虛擬仿真分析繪制受力_變形曲線(1)設(shè)置虛擬仿真條件，在板簧夾緊區(qū)域，創(chuàng)建一個直徑較大的球體，直徑具體不 作要求，應(yīng)高出副簧最低點(diǎn)，在球體上方創(chuàng)建一個平板，平板的尺寸不作要求，要大于板簧 的寬度，創(chuàng)建球體和平板的Contact接觸；(2)繪制板簧受力-變形曲線，選擇板簧夾緊區(qū)的中心作為考察變形的一個代表 點(diǎn)，對其設(shè)置函數(shù)，讀取其移動距離的絕對值，對平板垂直向下加載集中載荷，在ADAMS/ Postprocessor中繪制受力與變形曲線；(3)計(jì)算剛度值，板簧的剛度根據(jù)其性能狀態(tài)有2個值，根據(jù)上步中的曲線分別求 出其曲線斜率，即為板簧的剛度值。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、應(yīng)用ADAMS軟件精確建立板簧柔性體模型，應(yīng)用平板和球體 的接觸加載載荷的方式進(jìn)行仿真環(huán)境設(shè)置，進(jìn)而繪制板簧的受力-變形曲線，仿真求解其 剛度值，該方法精確模擬板簧的剛度性能實(shí)驗(yàn)，提高了板簧剛度仿真計(jì)算的精度，加快了計(jì) 算速度，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。2、本發(fā)明的方法是中性面法的修正方法，在進(jìn)行仿真分析的設(shè)置時無需建立完全 模型，在計(jì)算Ixx時將前兩片板簧的抗扭系數(shù)相加，計(jì)算截面慣性矩Izz只取第一片板簧的慣 性矩，計(jì)算工作量小，產(chǎn)生的誤差較少，得到的受力-變形曲線精度較高，求出的剛度值正 確，實(shí)現(xiàn)板簧剛度的精確計(jì)算，滿足設(shè)計(jì)要求。


圖1是本發(fā)明方法的流程示意圖。圖2是本發(fā)明的板簧結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的CATIA建模、分段示意圖。圖4是本發(fā)明的Box塊取點(diǎn)示意圖。圖5是本發(fā)明的Beam梁取點(diǎn)示意圖。圖6是本發(fā)明的Beam梁屬性設(shè)置示意圖。圖7是本發(fā)明的Contact接觸力設(shè)置示意圖。
圖8是本發(fā)明的ADAMS板簧模型示意圖。圖中1為Beam梁分段，2為夾緊區(qū)，3、4、5、6分別為取得的點(diǎn)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)解決方案，實(shí)施例不應(yīng)理解為 是對技術(shù)解決方案的限制。實(shí)施例1 以圖2所示的某漸變剛度板簧為例進(jìn)行說明計(jì)算。1.圖紙查閱，確定板簧基本尺寸參數(shù)；如表1所示，為板簧具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)；表1板簧結(jié)構(gòu)參數(shù) 2. CATIA三維軟件建立板簧模型(1)主、副簧建模，根據(jù)基本尺寸建立主、副簧模型，還有主簧兩端的吊耳和卷耳；(2)主、副簧分段，將主簧夾緊區(qū)兩側(cè)各劃分11段，第一片副簧每側(cè)各劃分7段，第 二片副簧每側(cè)各劃分5段，第三片副簧每側(cè)各劃分3段，如圖3所示；(3)在模型中取點(diǎn)，在模型中取點(diǎn)包括兩部分工作，一是為ADAMS建立Box塊確 定基本硬點(diǎn)坐標(biāo)，即從板簧的一側(cè)邊緣開始，第一段要取3個點(diǎn)，然后取第二段的一個分界 點(diǎn)，依此類推，將每一段所需的點(diǎn)取好，保存其3維坐標(biāo)值，如圖4所示；二是為ADAMS創(chuàng)建 Beam梁確定坐標(biāo)，即取每一片的寬度和厚度兩個方向的中心線的交點(diǎn)坐標(biāo)保存下來，如圖 5所示；3. ADAMS/View模塊建立板簧模型(1)創(chuàng)建Point硬點(diǎn)，根據(jù)2(3)中取點(diǎn)的坐標(biāo)創(chuàng)建硬點(diǎn)；(2)創(chuàng)建Box ±夬，根據(jù)2(3)中的第一部分取點(diǎn)所得坐標(biāo)和CATIA中分段的長度和 板簧的厚度，創(chuàng)建Box塊，Box塊的數(shù)量等于CATIA中分段數(shù)量；(3)創(chuàng)建Beam梁，依次選擇第一 Box塊上的點(diǎn)，第二 Box塊上的點(diǎn)，創(chuàng)建一個與第 一點(diǎn)x、z坐標(biāo)相同，但是y坐標(biāo)不同的點(diǎn)，連接此點(diǎn)與第一點(diǎn)的直線所在的方向創(chuàng)建Beam 梁，依此類推，創(chuàng)建所有Box塊與Box塊之間的Beam梁；(4)設(shè)置Beam梁屬性，如圖6所示為屬性設(shè)置界面，此例中，Beam梁的屬性值設(shè)置 如表2所示；表2Beam梁屬性設(shè)置 (5)創(chuàng)建Contact接觸力，在副簧與主簧接觸的位置創(chuàng)建一對Marker和Plane， Marker取在副簧上表面邊緣的中心處，然后在它與主簧接觸位置所在Box塊的下表面創(chuàng)建 Plane ；完成后的模型如圖8所示；4.模型建立完成之后進(jìn)行虛擬仿真分析繪制受力-變形曲線(1)設(shè)置虛擬仿真條件，在板簧夾緊區(qū)域，創(chuàng)建一個直徑為50mm的球體，在球體 上方創(chuàng)建一個平板，長500mm，寬400mm，平板下表面距離球心70mm，創(chuàng)建球體和平板的 Contact接觸，設(shè)置好的仿真環(huán)境；(2)繪制板簧受力-變形曲線，選擇板簧夾緊區(qū)的中心，對其設(shè)置函數(shù) ABS(DZ (MARKER_735, MARKER_730))，讀取其移動距離的絕對值，對平板垂直向下加載集中 載荷50000Newton，在ADAMS/Postprocessor中繪制受力與變形曲線；(3)計(jì)算剛度值，在副簧起作用時，剛度為50. 85N/mm ；在靜載和動載狀態(tài)下剛度 為 172. 5N/mm。板簧的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，進(jìn)行了臺架試驗(yàn)；試驗(yàn)時，板簧在試驗(yàn)臺 上的裝夾，完全按照其在汽車上的實(shí)際安裝狀態(tài)進(jìn)行，即將測試的板簧用支架、吊耳、板簧 銷及固定板仿效汽車的車架裝在試驗(yàn)臺上；激振器安裝在試驗(yàn)臺，試驗(yàn)時對板簧施加載荷 19KN ；激振器使載荷圍繞靜載荷變化，通過力傳感器和動態(tài)應(yīng)變儀分別測取載荷和變形的 信息，傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；為此板簧的剛度試驗(yàn)曲線圖，經(jīng)過試驗(yàn)所得曲線計(jì)算得到 的剛度值分別是50. 5和166. 0，與本發(fā)明所提仿真方法所得結(jié)果十分接近。
權(quán)利要求
一種用機(jī)械仿真分析軟件ADAMS求解板簧剛度的方法，該方法運(yùn)用等效中面法建立模型，應(yīng)用平板和球體的接觸加載載荷進(jìn)行仿真分析；其特征在于等效中面法可建立任何形式的板簧模型，所有主簧簡化為在某個等效中性面的單片主簧，即沿板簧厚度方向中間層組成的近似曲面，再將中性面按厚度基本相似原則分成若干等強(qiáng)度直線段，利用ADAMS中的Beam梁單元來模擬這些等剛度直線段，按板簧中性面上各段真實(shí)特性設(shè)定Beam梁單元相關(guān)參數(shù)，Beam梁屬性中計(jì)算Ixx時將前兩片板簧的抗扭系數(shù)相加，計(jì)算截面慣性矩Izz只取第一片板簧的慣性矩，主簧和副簧之間的接觸利用ADAMS中提供的Contact接觸力來實(shí)現(xiàn)；在板簧模型的夾緊區(qū)域中部建立一個球體，在球體上方創(chuàng)建一個大平板，創(chuàng)建接觸力連接平板與球體，在平板上方加載集中載荷，在ADAMS/Postprocessor中繪制板簧的受力-變形曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用機(jī)械仿真分析軟件ADAMS求解板簧剛度的方法，其特 征在于該方法包括以下步驟第一步，根據(jù)板簧的圖紙確定板簧的基本尺寸參數(shù)；第二步， 應(yīng)用CATIA軟件建立三維模型，進(jìn)行合理分段，選取必要的坐標(biāo)點(diǎn)；第三步，在ADAMS/View 中創(chuàng)建Point硬點(diǎn)、Box塊和Beam梁，在Beam梁屬性設(shè)置中提出等效中面法，創(chuàng)建Contact 接觸力；第四步，進(jìn)行板簧受力-變形曲線仿真分析環(huán)境設(shè)置，應(yīng)用平板與球體接觸加載載 荷的方法，得受力-變形仿真曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用機(jī)械仿真分析軟件ADAMS求解板簧剛度的方法，其特 征在于該方法包括以下具體步驟第一步圖紙查閱，確定板簧基本尺寸參數(shù)；此步驟是基礎(chǔ)，要想準(zhǔn)確建立模型，必須 首先確定板簧的基本尺寸參數(shù)；如果圖紙查閱有困難，采用實(shí)體測繪的方法確定基本尺 寸；第二步=CATIA三維軟件建立板簧模型(1)主、副簧建模，根據(jù)基本尺寸建立主、副簧模型，包括主簧兩端的吊耳和卷耳；(2)主、副簧分段，在CATIA中將建立好的主、副簧模型進(jìn)行分段處理，為ADAMS建立 Box塊做好準(zhǔn)備，分段一定要依據(jù)以下原則①在厚度不一樣的地方一定要分段；②剩余的部分可以近似隨意劃分；③劃分的段數(shù)越多越精確；(3)在模型中取點(diǎn)，這里，在模型中取點(diǎn)包括兩部分工作，一是為ADAMS建立Box塊確定 基本硬點(diǎn)坐標(biāo)，二是為ADAMS建Beam梁確定坐標(biāo)，即取每一片的寬度和厚度兩個方向的中 心線的交點(diǎn)坐標(biāo)保存下來；第三步ADAMS/View模塊建立板簧模型(1)創(chuàng)建Point硬點(diǎn)，根據(jù)第二步(3)中取點(diǎn)的坐標(biāo)創(chuàng)建硬點(diǎn)；(2)創(chuàng)建Box塊，根據(jù)第二步(3)中的第一部分取點(diǎn)所得坐標(biāo)和CATIA中分段的長度和 板簧的厚度，創(chuàng)建Box塊，Box塊的數(shù)量等于CATIA中分段數(shù)量；(3)創(chuàng)建Beam梁，夾緊區(qū)的Box塊不用建立Beam梁；(4)設(shè)置Beam梁屬性，創(chuàng)建的Beam梁屬性需要根據(jù)Box塊的基本尺寸參數(shù)和板簧材料 屬性進(jìn)行計(jì)算和設(shè)置，因?yàn)槊總€Box塊的厚度有差別，所以在參數(shù)設(shè)置過程中某些參數(shù)是 不同的，設(shè)置規(guī)律如下①抗扭常數(shù)Ixx a, c分別為Box塊截面矩形的長邊和短邊邊長的一半；此處，將第一片和第二片板簧的抗扭系數(shù)相加；②截面慣性矩Iyy 式中b為板簧片的寬度，h為板簧片的厚度，下同。③截面慣性矩Izz 此處，只取第一片板簧的慣性矩；④剪切面積A 另外，Y/Z Shear Area Ration —般均取 1. 2，YoungModules 和 Shear Modules 根據(jù)材 料屬性取值，Damp Ratio 一般取0. 02 ；(5)創(chuàng)建Contact接觸力，在副簧與主簧接觸的大致位置創(chuàng)建一對Marker和Plane， 或取在副簧上表面邊緣的中心處，然后在它與主簧接觸位置的那個Box塊的下平面創(chuàng)建 Plane ；第四步模型建立完成之后進(jìn)行虛擬仿真分析繪制受力-變形曲線(1)設(shè)置虛擬仿真條件，在板簧夾緊區(qū)域，創(chuàng)建一個直徑較大的球體，直徑具體不作要 求，應(yīng)高出副簧最低點(diǎn)，在球體上方創(chuàng)建一個平板，平板的尺寸不作要求，要大于板簧的寬 度，創(chuàng)建球體和平板的Contact接觸；(2)繪制板簧受力-變形曲線，選擇板簧夾緊區(qū)的中心作為考察變形的一個代表 點(diǎn)，對其設(shè)置函數(shù)，讀取其移動距離的絕對值，對平板垂直向下加載集中載荷，在ADAMS/ Postprocessor中繪制受力與變形曲線；(3)計(jì)算剛度值，板簧的剛度根據(jù)其性能狀態(tài)有2個值，根據(jù)上步中的曲線分別求出其 曲線斜率，即為板簧的剛度值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用機(jī)械仿真分析軟件ADAMS求解板簧剛度的方法，第一步，根據(jù)板簧的圖紙確定板簧的基本尺寸參數(shù)；第二步，應(yīng)用CATIA軟件建立三維模型，進(jìn)行合理分段，選取必要的坐標(biāo)點(diǎn)；第三步，在ADAMS/View中創(chuàng)建Point硬點(diǎn)、Box塊和Beam梁，在Beam梁屬性設(shè)置中提出等效中面法，創(chuàng)建接觸力Contact；第四步，進(jìn)行板簧受力-變形曲線仿真分析環(huán)境設(shè)置，應(yīng)用平板與球體接觸加載載荷的方法，得仿真曲線。本發(fā)明解決了目前ADAMS軟件建立板簧柔性體模型的問題，以及對其受力-變形曲線進(jìn)行仿真設(shè)置問題，對提高機(jī)械仿真軟件建模、分析、求解的準(zhǔn)確性和計(jì)算的速度具有重要意義。
文檔編號G06F17/50GK101866378SQ20101016371
公開日2010年10月20日 申請日期2010年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者劉永臣, 孫麗 申請人:淮陰工學(xué)院