摘 要

在进入新世纪之后，我国社会经济获得飞速发展，汽车作为人们出行中的重要工具，已经得到很大程度的普及。当前人们对于汽车的要求不仅仅停留在代步，更加注重其舒适性，环保性。复合材料作为一种新型材料，具有重量轻。结构稳定特点，尤其是在汽车轻量化发展的背景下，复合材料在汽车制造领域具有广阔的市场前景。本文对复合材料的车用板簧进行研究，利用新型复合材料代替传统钢材料作为板簧制作，并建立起复合材料的力学方程模型，利用仿真软件进行有限元分析，验证了优化结构的合理性。为我国汽车产业的板簧精益设计和合理利用提供依据。

关键词：复合材料；汽车板簧；有限元分析

Abstrat

At present, people's requirements for cars not only stay in transportation, but also pay more attention to its comfort and environmental protection. As a new kind of material, composite material is light in weight. With the characteristics of structural stability, especially under the background of automotive lightweight development, composite materials have a broad market prospect in the field of automotive manufacturing. So this article in view of the automobile plate spring usage, combining with the development and use of composite materials today, in this paper, the composite automobile plate spring are studied, using new composite materials instead of traditional steel material as a plate spring production, and establish the physical equation model of composite materials, using the simulation software for finite element analysis, validate the rationality of the structure optimization. It provides a basis for the lean design and rational utilization of spring boards in China's automobile industry.

Keywords: composite materials; Automobile plate spring; Finite element analysis

目录

摘 要 I

Abstrat II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3主要研究内容 2

2复合材料车用板簧设计方案 4

2.1复合材料板弹簧使用工况和要求 4

2.2材料选用 4

2.2.1板簧材料的选择 4

2.2.2复合材料特点 5

2.3成型工艺确定 6

3复合材料车用板簧的结构设计与校核 7

3.1板簧的尺寸设计计算 7

3.1.1主簧的尺寸设计 8

3.1.2副簧的尺寸设计 9

3.2复合材料板簧的刚度和强度计算 10

3.2.1复合材料板簧的刚度 10

3.2.2复合材料板簧的强度 11

4复合材料车用板簧的优化分析 13

4.1设计变量 13

4.2目标函数 13

4.3约束方程 14

4.4算例分析 18

5复合材料车用板簧的有限元分析 20

5.1有限元模型的建立 20

5.2复合材料板簧的静刚度计算 21

5.3复合材料板簧的动力学分析 22

6结论与展望 26

6.1结论 26

6.2研究展望 26

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

板簧作为现代汽车悬架的重要组成部件是保障车架运行稳定性的重要关键设备,能够对因汽车地面运动造成的巨大波动力矩进行有效的缓冲,提高了汽车的交通道路安全和行驶的稳定性。目前,汽车的钢板弹簧主要由优质的铝合金和碳钢制成,占到整辆车体自重1/15,而且钢板弹簧存在生产复杂工序多、设备占地面积大、能耗高等主要缺点^[1]。

尤其是进入21世纪之后,环境的保护和安全舒适性等技术标准的进一步提高,钢板制成的弹簧逐渐变得无法完全满足未来的汽车和机械工业的需求。为了彻底解决这个巨大的问题,国内外的研究者开始围绕复合材料板簧的主要材料和其结构特点进行了大量的相关技术研究和工作,并设计和开发了"用钢代替塑料"的新型复合材料应变板簧。与市场上传统的复合材料钢板应变弹簧结构相比,复合钢板制成的弹簧主要具有结构重量轻,弹性应变大,比塑料应变弹簧性能高,疲劳寿命长和"安全断裂"好的特点^[2]。而现在随着科技的进步,时代的发展,汽车已经成为现代最重要的交通工具。目前,复合材料板簧己经在汽车上大量的使用,势必彻底取代了相应的各种传统复合金属材料。复合材料能够有效的降低和减轻电动汽车的重量,可以有效保证电动汽车的平顺性、降低了制造与安装使用的复杂性和综合的成本,对于厂商、消费者和生态环境都有益。

汽车千人保有量已经接近饱和,汽车行业遇到了艰巨的挑战但是同时也迎来的丰富的机会。在这种情况下,各个汽车厂商和实验室希望在未来的竞争中抢占先机以提高在未来的竞争力,研究包括汽车新材料在内的新技术也是顺理成章的事情。为了适应社会的发展,汽车材料向着更加的安全节能,高速轻量化发展,也对环境更友好了。轻量化趋势越来越受到重视。在新的一世纪汽车节能低碳减排的发展趋势下 ,通过充分利用新结构材料和新弹簧结构技术来有效降低其车身的质量是当今我国汽车轻量化的主要研究方向。所以本研究课题的成功实现对于促进了我国汽车企业自主研发轻量化汽车、实现轻量化我国汽车的弹簧结构轻量化等研究工作顺利开展具有重要的现实意义,同时也使本课题具有一定的国际应用和研究前景。

1.2国内外研究现状

国外早在20世纪60年代就对车用树脂基纤维増强复合材料各种阻尼的性能组分进行了系统的分析和研究。进一步分析了纤维增强复合材料各种阻尼性能组分如:纤维、树脂基体、脱模剂、固化剂、浸润剂;以及树脂基纤维的铺层和角度。新型复合材料板簧与传统钢制的板簧产品相比,质量可以减轻40~50%,仅需载重5.5kg,疲劳使用寿命最高可达20万次以上,高于传统车用金属复合材料板簧的16万次。该新型复合材料的板簧已经在目前全球诸多的主机弹簧制造厂商的车用弹簧产品上已经得到大量的应用。h.a.ai-qureshi和raiendran.i.对弹簧的符合材料加工进行了研究,并且基于弹簧所符合的材料对各种车用主机弹簧制造工艺进行了设计,研究了车用弹簧的符合材料加工和制造工艺,并对弹簧的样品进行一定的测试,结果表明复合材料的弹簧具有质量轻、性能好的优点,符合汽车所需的基本性能。Sairam.K和Jaqodeesh.K.A.利用仿真软件的对复合材料钢板弹簧进行分析,结果表明在同样的工况下,复合材料的板簧相较普通钢质板簧具有应力较低,频率较大的特点,并且符合材料的弹簧重量得到大大优化^[3]。

相比之下,我国国内对于层层复合材料的具体科学应用研究由于技术起步较晚,,在40年前逐渐地出现了对于有关层层复合材料的具体技术应用科学研究和资源综合利用,国内层层复合材料科学研究所对于层层复合材料的结构层层复合板材料结构设计理论、为学材料结构设计理论、各项材料结构力学性能、设计工艺方法、加工制备工艺等以及相关技术问题等都进行了深入性的研究。为了进一步降低结构质量,并通过对板簧的结构优化设计进一步降低了结构质量,最终达到了轻量化的目的。李伟主要进行弹簧片簧结构的研究,用传统的复合材料弹簧代替了钢板的一些弹簧结构模型,建立了利用复合材料代替板簧的结构和动力学模型,根据叠层板理论,建立了数学模型,并具有强度和刚度作为约束的条件,最小的质量和刚度作为其目标质量的函数,使用复合材料matlab作为结构优化设计的工具箱,可以在最小的质量下获得最佳的复合材料板簧结构尺寸^[5]