基于ABAQUS的帘线参数对膜式空气弹簧横向特性影响研究_图(精).docxVIP

14 14□文 /何 锋 蔡永周 曹龙田（贵州大学机械工程学院 引言 空气弹簧是在柔性密闭容器中充入压缩空气，利用空 气的可压缩性实现弹性作 用的一种非金属弹簧。由于具有 变刚度、低自振频率、高度可控等优良的特性，用 于车辆 悬架装置中可以明显改善车辆的动力性，可减小车辆对路 面的破坏并显著提 高运行舒适性。所以，空气弹簧在商用车上得到广泛应用。 目前空气弹簧的生产主要以试验和经验为依据，在传统的空气弹簧生产过程中 得到帘线参数对空气弹簧横向 特性的影响,需反复试验修改试件参数，耗时长,成本 高，且难以得到精确数据。本文采用非线性有限元技术，通过非线性有限元软件 ABAQUS,建立有效的有限元模型，可方便改变帘线角、帘线层间距、帘线密度、 帘线层数等参数，迅速得到其对空气弹簧横向 刚度特性的影响，可缩短时间，节约成 本，为空气弹簧的数字设计提供参考。 1膜式空气弹簧的结构 膜式空气弹簧主要由橡胶气囊、上盖板、活塞底座和缓冲块等部 件组成，如图1所示。橡胶气囊一般由内覆层、外覆层、帘 线层和成型钢丝圈 硫化而成，内覆层主要用于密封 汐卜覆层除了起密封作用外，还起保护作用；帘线层为 空气弹簧的受力骨架。 2空气弹簧有限元模型建立 2.1非线性分析 在空气弹簧的大变形位移中存在橡胶材料非线性等非 线性问题，因此，在空气弹 簧的有限元分析模型中需考虑 非线性问题。 橡胶材料非线性采用非线性特性材料来描述空气弹 簧胶囊和帘线层。 胶囊发生大位移、大变形的几何非线性，采用大变形理论对空气弹簧大变形 量进行描述。 上盖板、底座与胶囊的接触边界条件非线性，采用边界非线性对上盖板与胶 囊的接触面积变化进行描述。 内部气压变化大，应用流体力学对空气弹簧内部压力变化进行描述。2.2模 型建立 本文研究的是贵州宏洋橡胶制品有限公司 644N商用车膜式空气弹簧，其技术 指标如表所示。 在模型上定义好材料特性、rebar单元、边界条件、内部气压、分析步和划分 好网格后，在模型上加载荷提交作业，空气弹簧发生垂向位移，其内容积变化较大，需 要对其内气体进行恰当的模拟。本文用 ABAQ U S中的流体单元 来定义空腔并施加空腔的压力载荷。胶囊橡胶材料使用 空气弹簧的结构 u 基于ABAQ U S的帘线参数 对膜式空气弹簧横向特性影响研究 20094 HEAVY TRUCK《重型汽车》 15 Mooney模型,上下盖板定义为刚体。利用 Rebar单元来定义胶囊的帘线层数和 帘线角。考虑到模型的轴对称性以及垂直刚度的轴对称性，本文的有限元计算模型 将空气弹簧沿轴向剖开，取一半建立模型。空气弹簧的有限元计算模 型如图2所 示。 表644N基本数据 图2空气弹簧有限元计算模型 3空气弹簧有限元模拟 3.1空气弹簧囊体模拟 空气弹簧胶囊是由帘线和橡胶硫化而成，根据帘线的层数可将胶囊分为若干铺 层，各铺层互成一定角度布置，帘线是主要的承载部件，因而呈现出各向异性的特点。 由于橡胶材料是体积模量远远大于其弹性模量的各向 同性的不可压缩的 超弹性材料,橡胶材料模型采用Mooney-Rivlin模型： W = C 10 (I - - 3 + C 01(1 - - 3式中 W ——为应变能函数； I 1、I 2 ――分别为橡胶材料的第一、第二应变不变量； C 10、C 01――材料常数，可通过单轴拉伸试验获得。 橡胶材料参数还可以通过在程序中给 出试验数据让A B A Q U S计算材料参数的方法来定义。3.2空气弹簧接触模拟 空气弹簧在工作中，上盖板、底座和胶囊的接触边界 在发生变化，在计算中，盖板和胶囊的接触定义为壳单元 和刚性曲面的接触。当 其与胶囊接触时摩擦很大，所以假 设胶囊和盖板之间的接触是无相对滑移的。其中 上盖板和 胶囊的接触是影响整个空气弹簧横向和轴向力学特性的主 要因素。连接 应用ABAQ U S多点约束来使空气弹簧的各个 部件连为一体。从上而下，用 ABAQUS的TIE功能,将空气弹簧模型上半部的流体单元的重复节点和上盖板刚性 曲面的参考点固定在一起；用ABAQ U S的B EAM功能将胶囊上 沿的节点和上 盖板刚性曲面的参考点连接在一起，将胶囊 下沿以及底座的上沿节点也通过 BEA M关键字与底座刚性曲面的参考节点连接起来，这样胶囊就与上盖板和底座联系起 来了。 3.3空气弹簧气体模拟 实际工作情况下，空气弹簧上面载荷的变化改变胶囊 的形状，从而胶囊内气体的 容积发生变化，气体的压力就 发生变化，实现支撑力的载荷的动态平衡。A B A Q U S提供 的两种气体单元：三维三节点（A B A Q U S定义为F 3D 3单元 类型 和三维 四节点（A B A Q U S定义为F 3D 4单元类型 气体单元（节点的个数不包括参考节 点。 4变帘线参数对空气弹