《Next Research》：DESIGN AND STRUCTURAL ANALYSIS OF LEAF SPRING UNDER VARIABLE LOADS USING BONDED AND FRICTIONAL CONTACT WITH DIFFERENT MATERIALS
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多叶弹簧材料性能与有限元分析研究。通过对比结构钢、Al-SiC金属基复合材料和E-玻璃环氧树脂在500N、1000N、1500N载荷下的变形、应力分布及强度重量比，结合理论计算与ANSYS有限元模拟，发现E-玻璃环氧变形最大但轻量化突出，结构钢变形小但密度高，Al-SiCMMC综合性能最优。研究揭示了非线性接触建模的重要性，并建议后续开展疲劳分析、动态载荷实验及更高载荷测试。
Kala Shiva Kumar | Burri Sai Sharanya | G. Devendar | A. Chennakesava Reddy
机械工程系，JNT大学工程学院，科学与技术学院，海得拉巴，特伦甘纳邦，500085
摘要
问题定义
多片簧在汽车应用中的性能至关重要，它影响着车辆的安全性、乘坐舒适性和耐用性。材料选择具有挑战性，因为需要在刚性、重量和抗应力之间取得平衡，同时还要考虑叶片之间的复杂接触行为，包括粘结和摩擦相互作用。
目标
本研究调查了由三种材料制成的多片簧在不同载荷（500 N、1000 N和1500 N）下的静态结构行为。目的是评估变形、应力分布和强度重量比，以指导轻量化、高性能汽车弹簧的材料选择。
创新点
本研究将理论计算与ANSYS有限元模拟相结合，以评估粘结和摩擦接触，从而更真实地反映叶片间的相互作用。这种方法对于像E-玻璃环氧树脂这样的软复合材料尤为重要，因为非线性接触效应显著影响其变形和应力行为。
主要发现
E-玻璃环氧树脂具有最大的柔韧性，适用于对重量要求严格的应用；而结构钢的变形最小，但受到高密度的限制。Al-SiC金属基复合材料（MMC）则提供了最佳的折中方案，具有适度的变形、良好的抗应力性能和较高的强度重量比。理论预测与有限元分析之间的差异强调了非线性建模的重要性。建议进行进一步的疲劳分析、动态载荷研究和实验验证，以便在实际应用中应用这些结果。
章节摘录
引言和文献综述
弹性变形的概念是叶片弹簧工作的基础。当施加重量时，弹簧会弯曲并在叶片中储存能量。一旦载荷释放，储存的能量会被释放出来，使弹簧恢复到原来的形状。在弯曲过程中，上表面被压缩，下表面被拉伸。由于叶片之间的摩擦作用，叶片弹簧非常适合用于悬挂和承载应用，这有助于吸收冲击和振动。
研究空白和目标
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研究空白：虽然许多先前的研究分别评估了复合材料或摩擦建模，但很少有研究使用先进的复合材料（Al-SiC MMC和E-玻璃环氧树脂）来同时考虑粘结和摩擦接触类型。此外，关于网格敏感性、接触公式化和理论验证等方面的技术严谨性也常常被忽视。
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尽管之前的研究已经
材料及其性能
本文讨论了所使用的材料及其性能。传统上用于制造叶片弹簧的结构钢与复合E-玻璃环氧树脂以及铝碳化物金属基复合材料（Al-SiC MMC）进行了比较。表1显示了所使用材料的性能。
方法论
设计 → 材料选择 → 建模（SolidWorks） → 网格划分 → 边界条件 → 载荷施加 → 有限元分析（粘结/摩擦） → 验证 → 结果。
结果与讨论
研究了三种材料在三种不同载荷下的粘结和摩擦接触情况下的变形、应力和应变情况，并进行了比较以确定最佳材料。
表4显示了不同载荷下粘结接触的变形情况，如图7c、7f和7i所示，E-玻璃环氧树脂的变形最大，而结构钢和Al-SiC的变形最小。随着载荷的不断增加，变形也相应增加，这表明E-玻璃环氧树脂具有更好的性能。
粘结接触的理论验证
为了验证有限元分析结果，采用了经典梁理论进行理论计算。在假设简支条件的情况下，叶片弹簧被简化为单根梁。对于粘结和摩擦接触的情况，分别进行了计算。该理论模型中的惯性矩是根据单个叶片的几何形状（宽度=65毫米，厚度=25毫米）确定的，尽管有限元分析模型考虑了其他因素。
结论
本研究评估了多片簧在500 N、1000 N和1500 N静态载荷条件下的结构性能，同时考虑了粘结和摩擦接触。主要发现如下：
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E-玻璃环氧树脂表现出最大的柔韧性和最大的变形，适用于对重量减轻要求严格但刚性要求不高的应用。
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结构钢
未来工作
未来的研究可以包括疲劳寿命预测、动态载荷模拟和实验验证。需要注意的是，实际叶片弹簧的工作载荷通常高于此处考虑的1500 N范围，特别是在制动或行驶在不平坦路面等动态情况下。因此，本研究应被视为一个基线比较分析，未来的研究应重点关注疲劳性能、动态载荷条件和更高的工作载荷。
CRediT作者贡献声明
Kala Shiva Kumar：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，概念构思。
Burri Sai Sharanya：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，调查，正式分析，数据整理。
G. Devendar：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，概念构思。
A. Chennakesava Reddy：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
