《高等机构学》课程教学课件（PPT讲稿）案例3 汽车钢板弹簧轻量化设计与仿真分析

武汉理工大学汽车钢板弹簧轻量化设计与仿真分析报告人

汽车钢板弹簧轻量化设计与仿真分析 报告人: 8/27/2025

GERSITYOF武汉理工大学25钢板弹簧3少片簧静少片簧有限简述目录少片簧性力特性与结构优化元模型建立能实验设计动力特性分析2025/8/27

目录 1 简述 2 钢板弹簧 结构优化 设计 3 少片簧有限 元模型建立 4 少片簧静 力特性与 动力特性 分析 5 少片簧性 能实验 2025/8/27

CERSITYOF武汉理工大学1简述2025/8/27

2025/8/27 1 简述 2025/8/27

1.1分析目的CERSITYOF现阶段，少片簧越来越多的应用于微车、某些SUV和客车武汉理工大学上，可见，少片板簧应用越来越广泛，其优点不容忽视，其结构能被充分利用，保证等强度应力，与相同材料与功能的等截面簧比较，其质量能被减轻20%以上，从而降低成本，提高汽车的燃油经济性。本文旨在通过理论推导，仿真分析和实验论证的整套优化设计与验证方案，深入研究板簧轻量化的关键所在，在能降低整车成本和满足板簧实际使用要求的前提下，使板簧结构和各种性能得到改善，从而使整车质量得到减轻，为设计人员提供一套系统的优化设计方法与验证方案。2025/8/27

1.1 分析目的 2025/8/27 ⚫ 现阶段，少片簧越来越多的应用于微车、某些SUV和客车 上，可见，少片板簧应用越来越广泛，其优点不容忽视， 其结构能被充分利用，保证等强度应力，与相同材料与功 能的等截面簧比较，其质量能被减轻20%以上，从而降低 成本，提高汽车的燃油经济性。 ⚫ 本文旨在通过理论推导，仿真分析和实验论证的整套优化 设计与验证方案，深入研究板簧轻量化的关键所在，在能 降低整车成本和满足板簧实际使用要求的前提下，使板簧 结构和各种性能得到改善，从而使整车质量得到减轻，为 设计人员提供一套系统的优化设计方法与验证方案

1.2分析内容C根据原5片簧使用性能与工况条件，建立板簧力学模型，运ERSITYOF用材料力学中的单位载荷法和梁的变形理论结合数学几何武漢理工大学关系，推导3片不等长变截面钢板弹簧的刚度计算公式：在此基础上，将长度和厚度作为设计变量，对其长度、厚度、应力和刚度等进行约束限制，以质量最轻为目标函数用遗传算法求解此优化方程，得出满足结构要求且满足安全的少片钢板弹簧结构参数；将求解的设计参数代入刚度与应力公式，得出主簧和合成簧的刚度值与应力沿长度的分布；根据优化得到的参数，对少片簧用CAXA和UG建立三维模型，基于接触理论建立板簧的ANSYS有限元模型：在ANSYS中进行应力和刚度以及疲劳寿命的求解，并和理论求解刚度与应力进行对比，验证理论数学模型的正确性。2025/8/27

1.2 分析内容 2025/8/27 ⚫ 根据原5片簧使用性能与工况条件，建立板簧力学模型，运 用材料力学中的单位载荷法和梁的变形理论结合数学几何 关系，推导3片不等长变截面钢板弹簧的刚度计算公式； ⚫ 在此基础上，将长度和厚度作为设计变量，对其长度、厚 度、应力和刚度等进行约束限制，以质量最轻为目标函数， 用遗传算法求解此优化方程，得出满足结构要求且满足安 全的少片钢板弹簧结构参数； ⚫ 将求解的设计参数代入刚度与应力公式，得出主簧和合成 簧的刚度值与应力沿长度的分布； ⚫ 根据优化得到的参数，对少片簧用CAXA和UG建立三维模 型，基于接触理论建立板簧的ANSYS有限元模型； ⚫ 在ANSYS中进行应力和刚度以及疲劳寿命的求解，并和理 论求解刚度与应力进行对比，验证理论数学模型的正确性

GERSITYOF武汉理工大学E2钢板弹簧结构优化设计0062025/8/27

2025/8/27 2 钢板弹簧结 构优化设计 2025/8/27

2.1某微车原板簧参数G原板簧结构为5片等截面簧，其具体结构参数值如表1所示SRSITYO其中前3片为主簧，后两片为副簧，板簧所用弹簧钢材料为武汉理工大学60Si2Mn，密度为7740，5片板簧总质量为16.1，板簧总成弧高为（108土6）mm，图纸中规定主簧刚度为（45土3）N/mm，在（1000-2400）范围内测得，规定合成簧刚度为，在（5200-7200）范围内测得，所加最大验证负荷为10000，疲劳次数是在预加变形为93mm，振幅为63mm的情况下测得。表2-15片等截面簧结构参数参数厚度宽度板簧伸直半长第1片簧857560第2片簧853060第3片簧450760第4片簧960310第5片簧1509602025/8/27

2025/8/27 2025/8/27 2.1 某微车原板簧参数 原板簧结构为5片等截面簧，其具体结构参数值如表1所示， 其中前3片为主簧，后两片为副簧，板簧所用弹簧钢材料为 60Si2Mn，密度为7740 ，5片板簧总质量为16.1 ，板簧总成 弧高为（108±6）mm ，图纸中规定主簧刚度为 （45±3） N/mm，在(1000-2400) 范围内测得，规定合成簧刚度为 ，在 (5200-7200) 范围内测得，所加最大验证负荷为10000 ，疲劳 次数是在预加变形为93mm，振幅为63mm的情况下测得。 参数 板簧伸直半长 厚度 宽度 第1片簧 575 8 60 第2片簧 530 8 60 第3片簧 450 7 60 第4片簧 310 9 60 第5片簧 150 9 60 表2-1 5片等截面簧结构参数

2.2少片弹簧刚度公式G2.2.1钢板弹簧力学模型TY.OF目前，比较基础且应用普遍的力学模型有三种：一为集中武溪理工大学载荷法，二为共同曲率法，三为综合法。图2-1共同曲率法1片共同曲率段1片集中载荷段 i-11 i+1i+2图2-3综合法图2-2集中载荷法2025/8/27

2025/8/27 2025/8/27 2.2 少片弹簧刚度公式 ◆ 目前，比较基础且应用普遍的力学模型有三种：一为集中 载荷法，二为共同曲率法，三为综合法。 2.2.1 钢板弹簧力学模型 图2-1 共同曲率法 图2-2 集中载荷法 图2-3 综合法

2.2少片弹簧刚度公式C2.2.1钢板弹簧力学模型ERSITYOF武汉理工大染不论是哪种计算方法都建立在材料力学中的连续性、均匀性和各向同性的假设基础上，且必须满足以下条件：一是各板簧片之间受力变形后不能发生于涉，二是板簧片之间的作用力是可能存在的，三是应力和刚度所用力学模型要统一，四是根据假设模型计算得出的值应与试验得出的值相吻合。对于3片变截面变刚度簧片其结构是由两片主簧与一片副簧组成，由于片与片之间会加摩擦垫，较符合集中载荷假设，故以下刚度公式是在集中载荷法基础上进行的理论推导。2025/8/27

2025/8/27 2.2 少片弹簧刚度公式 ◆ 不论是哪种计算方法都建立在材料力学中的连续性、均匀 性和各向同性的假设基础上，且必须满足以下条件：一是 各板簧片之间受力变形后不能发生干涉，二是板簧片之间 的作用力是可能存在的，三是应力和刚度所用力学模型要 统一，四是根据假设模型计算得出的值应与试验得出的值 相吻合。 ◆ 对于3片变截面变刚度簧片其结构是由两片主簧与一片副 簧组成，由于片与片之间会加摩擦垫，较符合集中载荷假 设，故以下刚度公式是在集中载荷法基础上进行的理论推 导。 2.2.1 钢板弹簧力学模型

2.2少片弹簧刚度公式G2.2.2钢板弹簧优化模型的建立ERSITYOF通过少片变截面钢板弹簧刚度公式的推导和数学优化模型的建武溪理工大学立，并且板簧的刚度应在设定的刚度范围内，同时结合某企业规定的刚度范围主簧刚度范围为45土3N/mm，合成簧刚度范围为67土4N/mm，则刚度需满足：k.-C3C4kh-ChCCh其中Cz=45N/m，Ck=67N/m则钢板板簧的优化模型表示为了二个单目标函数多约束方程多设计变量的非线性优化方程。2025/8/27

2025/8/27 2025/8/27 2.2 少片弹簧刚度公式 2.2.2 钢板弹簧优化模型的建立 3 z z z z k C C C −  h h 4 h h k C C C − 