本發(fā)明涉及車架系統(tǒng)剛?cè)狁詈嫌?jì)算方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非線性剛度鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬方法。

背景技術(shù)：

車架系統(tǒng)是傳遞作用在車輪與車架之間的一切力和力矩，并且緩和由路面?zhèn)鹘o車架的沖擊載荷，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車地行駛；而鋼板彈簧是汽車懸架上關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)部件,其剛度特性直接影響著車輛的平順性和道路友好性。mnf，是指在動(dòng)力學(xué)仿真中將柔性體通過一種特殊的處理后，再將模態(tài)文件、質(zhì)量、慣量等信息通過一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為動(dòng)力學(xué)的參數(shù)文件。剛?cè)狁詈鲜侵竸?dòng)力學(xué)仿真中將一部分關(guān)鍵部件進(jìn)行柔性體處理，再與其他部件進(jìn)行剛體和柔體的并行運(yùn)算仿真，一個(gè)模型中同時(shí)存在柔性體和剛體部件，聯(lián)合仿真即為剛?cè)狁詈戏抡?。目前車架系統(tǒng)的剛?cè)狁詈嫌?jì)算方法通常是將有限元的模型自由模態(tài)與動(dòng)力學(xué)剛體模型進(jìn)行并行計(jì)算仿真。然而上述有限元的自由模態(tài)存在：沒有考慮到裝配狀態(tài)下的約束條件，通常并不能反映柔性體的物理特征；同時(shí)，也存在柔性體與柔性車輪之間的柔性體與柔性體之間的理論缺陷；由此，現(xiàn)有車架系統(tǒng)剛?cè)狁詈嫌?jì)算方法并不能在非線性車輪與非線性變剛度板簧之間建立正確的約束和連接，因此，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行理論的創(chuàng)新十分必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種能反映柔性體的物理特征，并可在非線性車輪與非線性變剛度板簧之間建立正確的約束和連接的非線性剛度鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)：

一種非線性剛度鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬方法，包括以下步驟：

s1.利用實(shí)體軟件建立車架系統(tǒng)幾何模型，所述車架系統(tǒng)包括；車架本體和車橋組合，所述車橋組合包括設(shè)置在車架本體上的前車橋和后車橋，所述前車橋和后車橋的結(jié)構(gòu)相同，其結(jié)構(gòu)主要包括板簧、板簧安裝吊耳、板簧u型固定裝置、車橋和輪胎。

s2.將上述裝配中的板簧幾何模型導(dǎo)入有限元軟件中建立板簧的網(wǎng)格模型。

s3.進(jìn)行板簧的變剛度非線性擬合，在板簧裝配狀態(tài)下通過不同的約束方式試驗(yàn)板簧的非線性特性，約束點(diǎn)包括：1-吊耳約束點(diǎn)a、2-副簧約束點(diǎn)b、3-中間約束點(diǎn)c、4-載荷施加點(diǎn)、5-副簧約束點(diǎn)d和6-吊耳約束點(diǎn)e，并通過空載、半載、滿載和超載四種模式分別計(jì)算板簧的剛度值，以獲得不同模式下與測(cè)試結(jié)果吻合度較高的板簧變剛度特性曲線。

s4.根據(jù)上述板簧變剛度特性，板簧變形的狀態(tài)包括板簧變形滿載位置、板簧變形超載位置和板簧變形空載位置，將上述三種板簧變形狀態(tài)及載荷模式全部導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)模型中，建立以板簧為柔性體的車架系統(tǒng)耦合模型。

s5.將變剛度的板簧有限元模型

的質(zhì)量特性與動(dòng)力學(xué)模型中的質(zhì)量和慣量參數(shù)統(tǒng)一，也即將動(dòng)力學(xué)中板簧的質(zhì)量矩陣和有限元的質(zhì)量矩陣進(jìn)行坐標(biāo)單位變換。

s6.重新選取和轉(zhuǎn)換板簧的剛性點(diǎn)。

s7.進(jìn)行耦合模型中柔性體的約束轉(zhuǎn)換。

s8.對(duì)車架系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈霞s束。

s9.對(duì)柔性體進(jìn)行剛?cè)狁詈夏B(tài)定義，從而完成鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬。

進(jìn)一步地，s3步驟中所述空載模式下的約束方式：約束點(diǎn)a與約束點(diǎn)e都施加約束uy、uz、rx、ry、rz自由度約束，釋放ux方向自由度；約束點(diǎn)b與約束點(diǎn)d不做任何約束，以使副板簧呈現(xiàn)自由狀態(tài)；約束點(diǎn)c施加約束ux、uy、rx、ry、rz自由度約束，釋放uz自由度，使板簧整體呈現(xiàn)z向平動(dòng)；4-載荷施加點(diǎn)施加空載約束2744n，根據(jù)非線性弧高變化量，計(jì)算空載模式的板簧變形撓度以得到空載模式板簧剛度。

進(jìn)一步地，s3步驟中所述半載模式下的約束方式與空載模式的約束方式相同，4-載荷施加點(diǎn)施加載荷為6000n，根據(jù)非線性弧高變化量，計(jì)算半載模式的板簧變形撓度以得到空載模式板簧剛度。

進(jìn)一步地，s3步驟中所述滿載模式下的約束方式：約束點(diǎn)a與約束點(diǎn)e都施加約束ux、uy、uz、rx、rz自由度約束，釋放ry方向自由度；約束點(diǎn)b與約束點(diǎn)d都施加約束uy、uz、rx、ry、rz自由度，釋放ux方向自由度；約束點(diǎn)c不作任何約束；4-載荷施加點(diǎn)施加載荷12000n，根據(jù)非線性弧高變化量，計(jì)算空載模式的板簧變形撓度以得到空載模式板簧剛度。

進(jìn)一步地，s3步驟中所述超載模式下的約束方式與滿載模式相同，4-載荷施加點(diǎn)施加載荷23000n，并得出空載模式-半載模式-滿載模式剛度特性，空載模式-半載模式-滿載模式-超載模式變剛度特性。

進(jìn)一步地，s6步驟中所述板簧的剛性點(diǎn)選擇為：板簧的前吊耳安裝點(diǎn)、板簧后吊耳安裝點(diǎn)和板簧u型螺栓安裝區(qū)域剛性點(diǎn)，建立前吊耳、后吊耳和u型螺栓處三處剛性集合，作為動(dòng)力學(xué)模型中的連接硬點(diǎn)。

進(jìn)一步地，s7步驟中所述耦合模型中柔性體的約束轉(zhuǎn)換為：柔性體約束點(diǎn)a施加約束uy、uz、rx、ry、rz自由度，剛?cè)狁詈夏Ｐ图s束ux、uy、uz、rx、rz自由度，約束點(diǎn)e約束方式與約束點(diǎn)a相同；柔性體約束點(diǎn)b約束方式：空載模式與半載模式約束0，滿載和超載約束uy、uz、rx、ry、rz自由度，剛?cè)峄旌夏Ｐ图s束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度，約束點(diǎn)d與約束點(diǎn)b約束方式相同；柔性體約束點(diǎn)c約束ux、uy、rx、ry、rz自由度，剛?cè)狁詈夏Ｐ图s束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度。

進(jìn)一步地，s8步驟中所述剛?cè)狁詈系募s束點(diǎn)包括約束點(diǎn)a、b、c、d、e、f、g、h，約束方法為；約束點(diǎn)a、c、e、g、h約束ux、uy、uz、rx、rz自由度，約束點(diǎn)b及約束點(diǎn)d約束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度，約束點(diǎn)f約束ux、uy、rx、ry、rz自由度，再建立與上述約束點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，用以驅(qū)動(dòng)及模擬剛體與柔性體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

本發(fā)明的有益效果：

1)本發(fā)明的一種非線性剛度鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬方法，以板簧作為柔性體，在板簧裝配狀態(tài)下通過空載、半載、滿載和超載四種模式并采用多種不同的約束方式試驗(yàn)板簧的非線性特性，以獲得不同模式下與測(cè)試結(jié)果吻合度較高的板簧變剛度特性曲線，從而更充分及真實(shí)反映出了柔性體的物理特征。

2)本發(fā)明的一種非線性剛度鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬方法，在非線性車輪與非線性變剛度板簧之間建立了正確的約束和連接，有效彌補(bǔ)了柔性體與柔性車輪之間的柔性體與柔性體之間的理論缺陷，對(duì)于車架系統(tǒng)的正向研發(fā)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

附圖說明

圖1為后板簧安裝結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為板簧約束方式示意圖；

圖3為板簧變剛度曲線示意圖；

圖4為板簧變形三種狀態(tài)示意圖；

圖5為板簧剛性約束點(diǎn)示意圖；

圖6為模態(tài)約束方式示意圖；

圖7為車架系統(tǒng)剛?cè)狁詈霞s束方式示意圖；

圖8為底盤系統(tǒng)剛?cè)狁詈鲜疽鈭D；

圖1中，1-后板簧安裝吊耳、2-后板簧u型固定裝置、3-后車橋、4-輪胎；圖2中，1-吊耳約束點(diǎn)a、2-副簧約束點(diǎn)b、3-中間約束點(diǎn)c、4-載荷施加點(diǎn)、5-副簧約束點(diǎn)d、6-吊耳約束點(diǎn)e；圖4中，1-板簧變形滿載位置、2-板簧變形超載位置、3-板簧變形空載位置；圖6中，1-模態(tài)約束點(diǎn)a、2-模態(tài)約束點(diǎn)b、3-模態(tài)約束點(diǎn)c、4-模態(tài)約束點(diǎn)d、5-模態(tài)約束點(diǎn)e；圖7中，1-剛?cè)狁詈霞s束點(diǎn)a、2-剛?cè)峒s束點(diǎn)b、3-剛?cè)狁詈霞s束點(diǎn)c、4-剛?cè)狁詈霞s束點(diǎn)d、5-剛?cè)狁詈霞s束點(diǎn)e、6-剛?cè)狁詈霞s束點(diǎn)f、7-剛?cè)狁詈霞s束點(diǎn)g、8-剛?cè)狁詈霞s束點(diǎn)h；圖8中，1-前車橋與柔性體約束a、2-前減震器與柔性體約束b、3-后減震器與柔性體約束c、4-后車橋與柔性體約束d。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合具體實(shí)施方式，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

一種非線性剛度鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬方法，包括以下步驟：

s1.利用實(shí)體軟件建立車架系統(tǒng)幾何模型，車架系統(tǒng)包括；車架本體和車橋組合，車橋組合包括設(shè)置在車架本體上的前車橋和后車橋，前車橋和后車橋的結(jié)構(gòu)相同，其結(jié)構(gòu)主要包括板簧、板簧安裝吊耳、板簧u型固定裝置、車橋和輪胎，也即前車橋的結(jié)構(gòu)就主要包括前板簧、前板簧安裝吊耳、前板簧u型固定裝置、前車橋和前輪胎，后車橋的結(jié)構(gòu)就主要包括后板簧、后板簧安裝吊耳、后板簧u型固定裝置、后車橋和后輪胎，如圖1所示為后板簧安裝結(jié)構(gòu)示意圖。

s2.將裝配中的板簧幾何模型導(dǎo)入有限元軟件中建立板簧的網(wǎng)格模型。

s3.如圖2-3所示，進(jìn)行板簧的變剛度非線性擬合，在板簧裝配狀態(tài)下通過不同的約束方式試驗(yàn)板簧的非線性特性，約束點(diǎn)包括：1-吊耳約束點(diǎn)a、2-副簧約束點(diǎn)b、3-中間約束點(diǎn)c、4-載荷施加點(diǎn)、5-副簧約束點(diǎn)d和6-吊耳約束點(diǎn)e，并通過空載、半載、滿載和超載四種模式分別計(jì)算板簧的剛度值，以獲得不同模式下與測(cè)試結(jié)果吻合度較高的板簧變剛度特性曲線。

1)空載模式下的約束方式：約束點(diǎn)a與約束點(diǎn)e都施加約束uy、uz、rx、ry、rz自由度約束，釋放ux方向自由度；約束點(diǎn)b與約束點(diǎn)d不做任何約束，以使副板簧呈現(xiàn)自由狀態(tài)；約束點(diǎn)c施加約束ux、uy、rx、ry、rz自由度約束，釋放uz自由度，使板簧整體呈現(xiàn)z向平動(dòng)；4-載荷施加點(diǎn)施加空載約束2744n，根據(jù)非線性弧高變化量，計(jì)算空載模式的板簧變形撓度以得到空載模式板簧剛度。

2)半載模式下的約束方式與空載模式的約束方式相同，4-載荷施加點(diǎn)施加載荷為6000n，根據(jù)非線性弧高變化量，計(jì)算半載模式的板簧變形撓度以得到空載模式板簧剛度。

3)滿載模式下的約束方式：約束點(diǎn)a與約束點(diǎn)e都施加約束ux、uy、uz、rx、rz自由度約束，釋放ry方向自由度；約束點(diǎn)b與約束點(diǎn)d都施加約束uy、uz、rx、ry、rz自由度，釋放ux方向自由度；約束點(diǎn)c不作任何約束；4-載荷施加點(diǎn)施加載荷12000n，根據(jù)非線性弧高變化量，計(jì)算空載模式的板簧變形撓度以得到空載模式板簧剛度。

4)超載模式下的約束方式與滿載模式相同，4-載荷施加點(diǎn)施加載荷23000n，并得出空載模式-半載模式-滿載模式剛度特性，空載模式-半載模式-滿載模式-超載模式變剛度特性。

由于有限元建模與物理模型有一定的差異，上述不同模式下的板簧剛度特性需進(jìn)行剛度修正，因此需將有限模型的板簧摩擦系數(shù)及面與面之間的接觸等進(jìn)行參數(shù)的修正，修正的參數(shù)包括板簧與板簧的接觸面區(qū)域面積、板簧的剛度彈性模量和板簧接觸之間的摩擦系數(shù)，通過以上幾個(gè)參數(shù)之間的修正，可得到與測(cè)試結(jié)果吻合度較高的仿真剛度值。

s4.如圖4所示，根據(jù)上述板簧變剛度特性，板簧變形的狀態(tài)包括板簧變形滿載位置、板簧變形超載位置和板簧變形空載位置，將上述三種板簧變形狀態(tài)及載荷模式全部導(dǎo)入到動(dòng)力學(xué)模型中，并根據(jù)變剛度進(jìn)行調(diào)整板簧模態(tài)，建立以板簧為柔性體的車架系統(tǒng)耦合模型，因此需要將三種板簧的變形狀態(tài)進(jìn)行線性和非線性剛度的關(guān)聯(lián)，并將三個(gè)變形狀態(tài)的載荷量與變形進(jìn)行關(guān)聯(lián)，以保證三種變形狀態(tài)與板簧的振動(dòng)振型全部包含，同時(shí)進(jìn)行剛?cè)狁詈蠒r(shí)還需要將板簧的剛性連接點(diǎn)做剛性連接輸出。

s5.將變剛度的板簧有限元模型的質(zhì)量特性與動(dòng)力學(xué)模型中的質(zhì)量和慣量參數(shù)統(tǒng)一，也即將動(dòng)力學(xué)中板簧的質(zhì)量矩陣和有限元的質(zhì)量矩陣進(jìn)行坐標(biāo)單位變換；通常需將動(dòng)力學(xué)模型中的質(zhì)量和慣量參數(shù)關(guān)聯(lián)到有限元的質(zhì)量和慣量單位，這樣進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)，剛體和柔性體可進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而以進(jìn)行并行和聯(lián)合計(jì)算，質(zhì)量轉(zhuǎn)換是剛?cè)狁詈弦粋€(gè)重要的前提，如果不進(jìn)行質(zhì)量轉(zhuǎn)換則輸出的振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)形式將不能進(jìn)行mnf的模擬。

s6.板簧在進(jìn)行剛?cè)狁詈蠒r(shí)需要進(jìn)行剛性點(diǎn)的選取和轉(zhuǎn)換，也即重新選取和轉(zhuǎn)換板簧的剛性點(diǎn)。

如圖5所示，板簧的剛性點(diǎn)選擇為：板簧的前吊耳安裝點(diǎn)、板簧后吊耳安裝點(diǎn)和板簧u型螺栓安裝區(qū)域剛性點(diǎn)，建立前吊耳、后吊耳和u型螺栓處三處剛性集合，作為動(dòng)力學(xué)模型中的連接硬點(diǎn)。將前吊耳卷軸內(nèi)部進(jìn)行剛性處理，并輸出集合文件，約束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度；將后吊耳卷軸進(jìn)行內(nèi)部剛性處理，并輸出集合文件，約束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度；將板簧下底面與u型螺栓連接處進(jìn)行剛性處理，建立剛性集合；從而共建立前后吊耳，u型螺栓處三處剛性集合，作為動(dòng)力學(xué)模型中的連接硬點(diǎn)。

s7.進(jìn)行耦合模型中柔性體的約束轉(zhuǎn)換。

在柔性體與混合模型中需要進(jìn)行約束方式的轉(zhuǎn)換，柔性體約束到動(dòng)力學(xué)的混合模型的約束變換是建立剛?cè)狁詈夏Ｐ偷年P(guān)鍵。如圖6所示，耦合模型中柔性體的約束轉(zhuǎn)換為：柔性體約束點(diǎn)a施加約束uy、uz、rx、ry、rz自由度，剛?cè)狁詈夏Ｐ图s束ux、uy、uz、rx、rz自由度，約束點(diǎn)e約束方式與約束點(diǎn)a相同；柔性體約束點(diǎn)b約束方式：空載模式與半載模式約束0，滿載和超載約束uy、uz、rx、ry、rz自由度，剛?cè)峄旌夏Ｐ图s束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度，約束點(diǎn)d與約束點(diǎn)b約束方式相同；柔性體約束點(diǎn)c約束ux、uy、rx、ry、rz自由度，剛?cè)狁詈夏Ｐ图s束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度。

s8.對(duì)車架系統(tǒng)進(jìn)行剛?cè)狁詈霞s束。

如圖7所示，車架系統(tǒng)剛?cè)狁詈系募s束點(diǎn)包括約束點(diǎn)a、b、c、d、e、f、g、h，約束方法為；約束點(diǎn)a、c、e、g、h約束ux、uy、uz、rx、rz自由度，約束點(diǎn)b及約束點(diǎn)d約束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度，約束點(diǎn)f約束ux、uy、rx、ry、rz自由度，并再建立與上述約束點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副，用以驅(qū)動(dòng)及模擬剛體與柔性體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

s9.對(duì)柔性體進(jìn)行剛?cè)狁詈夏B(tài)定義，從而完成鋼板彈簧剛?cè)狁詈蟤nf模擬。

動(dòng)力學(xué)模型中車橋組合、柔性體、車架、減震器的連接和約束定義關(guān)系如圖8所示，前車橋與柔性體約束a通常為約束ux、uy、uz、rx、ry、rz自由度，使前板簧與前車橋一同運(yùn)動(dòng)；前減震器與柔性體約束，一般采用襯套單元模擬連接，可模擬為約束ux、uy、rx、ry、rz自由度，uz自由度添加襯套力單元?jiǎng)偠仍O(shè)置為500n/mm；后減震器與柔性體約束與前車橋方式一致；保持后車橋與變剛度柔性體之間的同步運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明以板簧作為柔性體，在板簧裝配狀態(tài)下通過空載、半載、滿載和超載四種模式并采用多種不同的約束方式試驗(yàn)板簧的非線性特性，以獲得不同模式下與測(cè)試結(jié)果吻合度較高的板簧變剛度特性曲線，從而更充分及真實(shí)反映出了柔性體的物理特征；同時(shí)在非線性車輪與非線性變剛度板簧之間建立了正確的約束和連接，有效彌補(bǔ)了柔性體與柔性車輪之間的柔性體與柔性體之間的理論缺陷，對(duì)于車架系統(tǒng)的正向研發(fā)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。