彈簧支座
關注創建者：匿名 創建時間：2022-09-23
彈簧支座的實例教程
圖 2隔震裝置示意
在隔震裝置中，隔震支座占有重要地位。通過將不同元件的功能進行組合,或選取不同的設計參數,可以得到多種多樣的隔震支座。
隔震支座要求有較大的豎向承載力與豎向剛度,以保證承受上部結構的自重;水平方向上則較為柔軟,以保證隔震支座的隔震效果,即應有使建筑物恢復到原位置的剛度,同時應注意保證水平方向有較大的變形能力，以充分發揮隔震效果。除了良好的力學性能，隔震支座還要有良好耐久性與穩定的質量,以保證能夠長期穩定地承的受荷載。為了確保隔震支座的性能正常發揮，應當重視隔震支座的后期維護工作,及時維護、更換。
在實際工程中常用的疊層橡膠支座、摩擦擺隔震支座、摩擦滑移隔震支座、滾動隔震支座等由于豎向剛度很大，對豎向震動沒有隔震效果。彈簧隔震支座利用豎向彈簧減小上部結構在豎向地震下的動力響應,從而起到隔震效果,如圖3所示。為了耗散豎向地震能量,往往還需要設置豎向阻尼器。
圖 3彈簧隔震支座
2. 設計荷載及有限元模型
通過對建筑的隔震設防計算得到隔振層處隔震支點的荷載如下表1所示。
以設防烈度荷載值作為彈簧載荷依據，隔振器彈簧設計參數如下表所示。
板材材料為Q355D，抗拉強度>500Mpa，屈服強度>355Mpa。
彈簧材料為40SiMnVBE，彈簧抗拉強度>1900Mpa，彈簧屈服強度>1700Mpa。
圖 4隔振器有限元模型
隔振器設計計算時選用一下荷載工況進行計算。
3. 分析結果
3.1 工況1
圖 5下板vonMises應力
圖 6下板最大切應力
圖 7上板vonMises應力
圖 8上板最大切應力
計算得到理論切應力為699Mpa，誤差為10.5%。理論值與有限元結果很接近。同時分析彈簧簧絲內圈應力較大的原因是因為內圈曲率較小， 存在一定的應力集中導致。
展開 扭轉剛度分析：
加載：建議扭矩為 3000N.m
約束：前碰撞橫梁中心3自由度；后懸彈簧支座中心：左側123自由度，右側13自由度。
計算公式：
單位：N.m/deg
彎曲剛度分析：
加載：前后約束位置中心處門檻梁，建議左右分別加載力為2000N
約束：前減振：左側23自由度、右側3自由度；后懸彈簧支座：左側123自由度、右側13自由度。
計算公式：，測量點是加載位置線所對應的門檻梁底側或外蒙皮處
單位：N/mm
輕量化系數示意圖與計算公式：
白車身輕量化系數，其中m為BIW白車身結構質量（不包括前風擋玻璃），單位為Kg；Ct為BIP白車身扭轉剛度（包括前風擋玻璃），單位為N.m/Deg；A為輪距與軸距的乘積，單位為m2；
建議在白車身基本框架（特別是碰撞傳力路徑）已經確定后，才進行料厚與材料的減重優化。事實上，白車身的減重主要受被動安全性能的限制，而不是剛度與強度。經過驗證，如果僅考慮白車身的剛度，現有白車身至少可以減重1/3。
另外注意有限元分析是理想狀態，與測試進行對比時，要在考慮實際試驗條件后進行修正。
展開 7、優化方案6基礎上——將后懸彈簧安裝支座內部加強件底面下移10mm，重新布置焊點，具體如下圖所示，左右對稱處理，共增重0.30Kg。
8、優化方案7基礎上——將位于后懸彈簧支座內部的縱梁加強件(藍色件)延長10mm，左右對稱處理，增重0.20Kg。
五、結果總結：
經過以上8個方案的迭代，已經順利的將車身扭剛提升到900KN.m/rad以上，但是車身重量卻增加了，為了給后續的減重工作留下足夠的扭剛余量，因此還要繼續對剛度進行提升。
前后經過15個方案的迭代，最終將車身扭剛提升到967KN.m/rad。
【車身減重優化將在下一篇帖子當中進行詳細說明】
末：
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展開 扭轉剛度計算及結果
（1）邊界條件
分別約束白車身左右后懸架彈簧支座位置13、123平動自由度，并約束前防撞梁中心Z向平動自由度；載荷條件為在左右前懸架彈簧支座位置施加大小相等、方向相反的垂力7350N，施加扭矩為前軸許用軸荷，扭轉剛度計算計算公式如下：
計算結果
通過公式（2）得到前懸相對扭轉角為0.726deg，通過公式（1）得到扭轉剛度為11472N·m/deg，其左前縱梁扭轉位移曲線圖見下圖：
圖2扭轉位移曲線圖
靈敏度計算及結果
結構靈敏度是指所關注的結構性能指標對某些結構參數的變化梯度，白車身扭轉剛度靈敏度分析是車身扭轉剛度的變化對車身結構設計參數變化的敏感性。除了扭轉剛度靈敏度外，為了更加有效地反映車身鈑金單位厚度對扭轉剛度的靈敏度，進行了歸一化處理，得到扭轉剛度相對靈敏度，即扭轉剛度靈敏度與質量靈敏度的比值，它主要體現了厚度對扭轉剛度的貢獻效率。扭轉剛度相對靈敏度有正負號之分，由于質量靈敏度為正，所以其符號與扭轉剛度靈敏度一致。扭轉剛度靈敏度正值表示結構響應位移的變化與板件厚度變化具有相同的趨勢，負值表示相反的趨勢。
靈敏度計算的設計變量為車身板料厚度屬性，本文進行了對稱處理，即左右對稱件放入一個部件中，減少變量數量，提高計算效率，便于排序處理。計算中共選取了73個零件，以車身的初始設計厚度為初值，設置變量變化范圍±50%。響應函數為左右前懸架中心點對應的大梁上中心測點的Z向位移絕對值平均值d和白車身全局質量。約束函數為將約束d定義在一定范圍內。目標函數設為白車身重量最小。
展開 懸架主要包括：前后鋼板彈簧支座、平衡軸、鋼板彈簧、橫向穩定桿。前后鋼板彈簧支座、平衡軸等都是鑄件，采用四面體十節點實體單元模擬，穩定桿采用桿單元模擬。 橋、輪胎采用簡化的梁單元模擬，橋與橫向穩定桿、橋與板簧的連接采用簡化的梁單元模擬。計算時根據板簧和穩定桿的工作原理，釋放前后板簧及橫向穩定桿的相應自由度。
2.1 主要參數及材料常數
前橋懸架鋼板彈簧滿載垂向剛度為372N/mm，中后橋平衡懸架鋼板彈簧滿載垂向剛度為2174N/mm，鈑金件的彈性模型為2.02x105,泊松比0.3；鑄件的彈性模量1.74x105，泊松比0.3。
2.2 邊界條件處理
2.2.1 鋼板彈簧的模擬
采用等效剛度的等截面直梁模擬前后鋼板彈簧，等效剛度的等截面直梁長度、截面參數及彈性模量等物理特性根據材料力學相關理論進行確定：當直梁的截面寬度和高度滿足H3B=KL3/4E時，等截面的直梁滿足在其兩端約束情況下中點處的等效剛度為K。式中H為梁截面高度，B為截面寬度，E為等效梁的彈性模量，L為等效梁的長度，K為鋼板彈簧的等效剛度。
2.2.2 連接處理
根據緊固件的幾何和物理參數，采用梁單元模擬主縱梁、襯梁、橫梁總成、平衡軸等部件的連接關系。
2.2.3 副車架與主車架接觸處理
副車架與主車架在接觸部分采用桿單元模擬。
2.2.4 約束位置
約束施加在簡化的輪胎模擬處。
2.2.5 載荷條件
載荷的施加，根據自卸車的使用條件，載荷按55噸計算，按著實際使用條件，分布到副車架上。根據實際使用條件，模擬了三種工況：彎曲工況，扭轉工況，轉彎工況。計算時，由于動力總成、駕駛室、油箱，電瓶等相對于載荷質量較小，且考察的主要指標是整體鑄造橫梁，它們質量對整體橫梁影響很小，所以計算時忽略了這幾處的質量。
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采用abaqus對其進行線性屈曲分析，模型約束條件為:對撐支座處設置為鉸接，桿件交匯處設置支座使其不發生重力方向的移動，并施加水平彈簧支座，模擬立柱對對撐提供的側向剛度，具體屈曲模態結果見圖4所示。通過計算得到的臨界承載力，采用歐拉公式反推對撐的計算長度，最終結果匯總見表2所示。
當豎向地震動較小時，采用拉壓等強的垂直線性彈簧模擬支座，假定支座的屈服力為接觸界面處的重力載荷與摩擦系數的乘積。但是，當地面運動具有較強的豎向分量時，支座的豎向軸力變化顯著。嚴重時甚至會出現支座與主梁分離，橡膠支座和混凝土墊層在巨大的沖擊作用下完全損壞。在這種情況下，簡化的雙線性模型不能真實再現橡膠支座的受力行為。
應更改其他支座，例如彈簧支座、摩擦擺支座。
彈簧隔震支座利用豎向彈簧減小上部結構在豎向地震下的動力響應,從而起到隔震效果,如圖3所示。為了耗散豎向地震能量,往往還需要設置豎向阻尼器。
圖 3彈簧隔震支座
2. 設計荷載及有限元模型
通過對建筑的隔震設防計算得到隔振層處隔震支點的荷載如下表1所示。
以設防烈度荷載值作為彈簧載荷依據，隔振器彈簧設計參數如下表所示。
通過前處理軟件HyperMesh建立彎曲剛度計算模型，其中，對后懸架彈簧支座區域3個平動自由度（XYZ方向）進行約束，對前懸架彈簧支座區域1個平動自由度（Z向）進行約束；在前后座椅H點分別施加1667N的力，從而輸出縱梁Z方向的變形。仿真計算模型及仿真曲線如圖6所示，曲線圖中，橫坐標表示車身縱梁的X坐標，縱坐標表示各測量點的垂直方向變形量。
7、優化方案6基礎上——將后懸彈簧安裝支座內部加強件底面下移10mm，重新布置焊點，具體如下圖所示，左右對稱處理，共增重0.30Kg。
8、優化方案7基礎上——將位于后懸彈簧支座內部的縱梁加強件(藍色件)延長10mm，左右對稱處理，增重0.20Kg。
扭轉剛度分析：
加載：建議扭矩為 3000N.m
約束：前碰撞橫梁中心3自由度；后懸彈簧支座中心：左側123自由度，右側13自由度。
combine165模擬支座，利用彈簧單元的剛度模擬支座的水平剪切剛度，剛度參考以下取值：（此橋梁支座的承載力為5000KN）
3.單元選取 材料模型
可采用多尺度建模（也要看梁的損傷情況，選擇合適的單元類型，塑性區域要用實體單元，墩采用實體單元，地面設置為剛體）,網格劃分：
橋墩采用C35，面積配筋率為1.2%，用BRITTLE DAMAGE模型，以下數據可參考，需調試。
懸架主要包括：前后鋼板彈簧支座、平衡軸、鋼板彈簧、橫向穩定桿。前后鋼板彈簧支座、平衡軸等都是鑄件，采用四面體十節點實體單元模擬，穩定桿采用桿單元模擬。 橋、輪胎采用簡化的梁單元模擬，橋與橫向穩定桿、橋與板簧的連接采用簡化的梁單元模擬。計算時根據板簧和穩定桿的工作原理，釋放前后板簧及橫向穩定桿的相應自由度。
02 冷卷；熱卷
03 端圈并緊磨平
三：橡膠彈簧（橡膠支座）
01 在拉壓應變15%的變形范圍內，可以假設為線彈性：
02 在剪切應變100%的變形范圍內。
