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1、复合材料板簧的优化设计及分析2007年第12期(总第197期)农业装备与车辆工程AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERINGNo.122OO7(Totally197)复合材料板簧的优化设计及分析许长生,高诚辉,彭育辉,林风功(福州大学机械工程及自动化学院,福建福州350002)摘要:根据某汽车钢板弹簧相关参数和分析结果,用有限元软件ANSYS设计优化了一种玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFgP俗称玻璃钢)板弹簧来代替原钢板弹簧,并对其动态特性及结构应力分布进行有限元分析,结果证明该复合材料板弹
2、簧应力更低,固有频率更高,不计吊耳时弹簧重量减轻了约75%.关键词:复合材料;板弹簧;有限元;玻璃钢;优化中图分类号:TH123~.4文献标识码:A文章编号:1673—3142(2007)12—0022—04OptimizationandAnalysisofaCompositeLeafSpringXUChang—sheng,GAOCheng—hui,PENGYu—hui,LINFeng-gong(CollegeofMechanicalEngineeringandAutomation,FuzhouUniversity,Fuzhou350
3、002,China)Abstract:Basedontheanalysisresultsandcorrespondingparametersofthesteelleafspring,acompositeleafspringmadefromfiberglasswithepoxyresinisdesignedandoptimizedusingANSYSsoftware.Comparedtothesteelspring,thecompositespringhasstressesthataremuchlower,thenaturalfrequ
4、encyishigherandthespringweightwithouteyeunitsisnearly75%lower.KeyWords:compositematerials;leafspring;FEA;GFRP;optimum引言伴随着油价的上涨和环境问题,减轻汽车质量以降低油耗变得越来越重要.作为汽车悬架弹性元件的钢板弹簧在车体自重所占比重大约1/20-1/15.因而在汽车板簧的发展方面.国内外汽车厂商和研究人员一直都紧紧围绕着轻量化,提高驾驶的舒适性,稳定性及耐用性等方面进行了大量的研究工作,出现了少片式,单片式的板簧.其
5、中以复合材料板簧成效最大1988年CorviA用有限元方法对复合材料板弹簧进行了初步研究:YuWJ,KimHC为一种汽车悬架设计和优化了一种楔型梁.国外在该方面的研究比较成熟.已经有产品在市场上投入使用,而国内在这方面的研究成果较少.王继成从理论上对等强度复合材料板簧的计算进行了初探;郭红等对某钢板夹复合材料组合弹簧进行结构设计和应力场分析:边文凤等对复合材料板簧副簧进行了优化设计,只是材料的替代.质量减轻不明显;哈尔滨玻璃钢研究所的赵洪斌等也进行了相关的设计研究并做了样品.但没有对其力学行为进行分析,不能有效地指导批量生产.本文根据
6、某钢板弹簧的工况,应用等强度理论设计了一款单块等宽变厚复合材料板簧.利用ANSYS分析软件在考虑静态和满载弹簧受力的前收稿日期:2007-09—07作者简介:许长生(1980一),男,河南信阳人,在读硕士,研究方向为汽车零部件数字化设计.?22?爱.许长生等:复合材料板簧的优化设计及分析证优化收敛.只要弹簧变形在一定允差范围即可.为保证结构形状和应力的连续性,厚度thk到thk,,逐渐减小.所以状态变量主要考虑板簧的刚度要求,材料许用应力要求以及各变量的取值范围.本文的主要目的是减轻弹簧的质量,因此目标函数(ObjectiveFunc
7、tion)初定为弹簧的最小质量.但ANSYS计算质量需要计算质量矩阵,增大计算费用为提高运算经济性,以弹簧的体积最小为目标函数,优化数学模型如下:目标函数:minf(x)设计变量:[l,X23,4,5,6,7,8,9,Xlo,l1]=[thkl,thk2,thk3,thk4,thk5,thk6,thk7,thk8,thk9,thkl(),thkl1]状态变量:一60≤6(,≤(一60--60一￡,=+￡,￡为一极小值)6≤6,≤(6,-_6,,-_6,为一极小值)≤thk州一thk<0(1,2,…,11)2某复合材料板弹簧的优化
8、设计2.1钢板弹簧本文研究的钢板弹簧由四片宽度50mm,厚度7mm的钢板构成,前半部分长度是559mm,后半部分长度是686mm.其相关数据如表1,表2.根据力矩平衡原理对其受力进行简化分析,静态载荷2500N,后端受力
