基于ABAQUS软件的空气弹簧静刚度分析.pdf

第期(总第 期)年 月机 械 工 程 与 自 动 化ME CHAN I C A LE N G I N E E R I N G&AUT OMA T I ONN o D e c 文章编号:()基于A B AQU S软件的空气弹簧静刚度分析董军哲,秦喜民,周盼,杨茂(北京京西重工有限公司,北京 )摘要:针对汽车传统悬架在汽车行驶平稳性和操控稳定性上存在的问题,提出了采用空气弹簧取代金属螺旋弹簧的空气悬架方法.对设计位置处空气弹簧的静刚度进行了理论推导,并通过A B AQU S软件建立汽车空气弹簧系统动力学有限元仿真模型.最后,对样件刚度的台架测试结果与有限元仿真结果进行了比较,结果显示:建立的模型有效地解决了空气弹簧静刚度计算的难题,提高了空气弹簧有限元仿真速度和计算精度.关键词:空气弹簧;静刚度分析;A B AQU S中图分类号:T P 文献标识码:A北京市房山区科技计划课题资助项目()收稿日期:;修订日期:作者简介:董军哲(),男,河北栾城人,工程师,硕士,研究方向:汽车系统动力学及仿真.引言近年来,随着国内外新能源汽车的迅速发展,被誉为高端配置的空气悬架取代传统悬架的例子也越来越多,.通常来讲,配置空气悬架汽车的前、后悬架附近都会设有高度传感器检测车身高低.根据高度传感器输出信号,电控单元通过控制供气单元,使空气弹簧自动地充气或放气以达到升高或降低底盘的目的,从而满足不同的行驶路况.空气弹簧采用充满可调气压的橡胶气囊,使车辆具有较理想的非线性刚度特征,进而提高驾驶的操控性和乘坐的舒适性 .对于空气弹簧国内外学者进行了大量研究.柴宇君等对空气弹簧的强度和振动频率进行了有限元分析,针对橡胶材料模型、帘线层模型、气体单元模型、接触非线性等关键问题,给出了具体的分析方法和过程.刘国漪等通过模拟空气弹簧静特性试验,得出了空气弹簧在给定位移和一定初始气压情况下的静刚度特性曲线,并建立了动刚度模型,研究在特定工作气压下振动频率对动刚度的影响.W a n g等通过对空气弹簧刚度特性和受力的理论分析,得到了空气弹簧位移的三次多项式的非线性恢复力,验证了非线性空气弹簧多项式模型的正确性.目前市场上流行的空气弹簧按气囊的结构类型可大致分为三种:囊式、膜式和复合式.膜式空气弹簧具有尺寸小、降低车身振动频率的特征,故多用于乘用车领域.本文利用A B AQU S软件,对一款乘用车膜式空气弹簧的静刚度进行分析.空气弹簧刚度理论推导在车辆正常行驶过程中,空气弹簧会承受一个来自于车身的工作载荷,载荷大小与车身轴重、结构设计、路况、车速等因素相关,其在工作载荷下处于设计、拉伸和压缩三种状态.设计位置是指空车状态下,仅在车身重量下所保持的高度,极限拉伸和压缩位置是指所能达到的最大拉伸位置和最大压缩位置.由于各种行程下的刚度计算方法相似,下面以设计位置为例推导空气弹簧刚度计算公式.设pa、pj、py分别为大气压强、腔体绝对压强和仪表压强,则有:pjpypa()设F、Ae分别为轴向载荷、有效截面积(假想的一个存在于腔体内部的环形平面,尺寸随着弹簧行程变化而变化),则:FpyAe()有效截面积Ae可以通过简单的模型测量和计算得到,设D、D(见图)分别为有效截面的内、外直径,则:Ae(DD)()设z方向为轴向行程方向,z正方向为压缩行程,z负方向为拉伸行程,z时为设计状态.式()对z求导,得到刚度方程:dFdzAedpydzpydAedz()对于封闭模块,可假设为理想气体的绝热可逆过程,则有:pjV常数()其中:V为腔体的容积;为热容比,当时为等温过程,当 时为等熵过程,对于双原子气体(如氧气、氮气)值通常取,由于空气中 都由双原子气体组成,值可取为 .设pj、V、py为设计状态下(z)的腔体绝对压强、腔体容积和仪表压强,则根据式()得:pjVpjV()根据式()和()可推出:pjpjpypapypa(VV)()进而得到:py(pypa)(VV)pa()将式()代入式()得:dFdzAe(ppa)VdVdzV(ppa)(VV)padAedz()由于dVdzAe,则:dFdz Ae(pypa)(VV)V(pypa)(VV)padAedz()当行程处于设计位置时(z),把VV代入式(),得到该状态下的弹簧刚度:dFdzAeV(pypa)pydAedz()式()中的AeV(pypa)为影响刚度的主要因素,pydAedz为次要因素.有限元模型A B AQU S/S t a n d a r d是A B AQU SC A E软件的一个通用模块,它能够有效地求解复杂的非线性耦合物理场问题.本文采用通用静态分析方法迭代求解空气弹簧刚度问题.空气弹簧结构如图所示,由壳体、气囊、压接环、限制筒、活塞、密封环、缓冲块及减振器上半部分等组成,这些零件共同围成一个可充气的型腔,型腔容积和压强变化决定着其刚度特征.整个模型可以视为轴对称模型(结构中有些特征并非轴对称,但其对分析结果影响有限,可忽略),其边界条件,如约束、载荷、接触等均为轴对称.因此,在有限元分析中可采用轴对称模型.零件与材料零件壳体、限制筒和活塞为铝合金材质,在工作载荷下不会产生屈服应变,因此只考虑材料的线弹性阶段即可,设弹性模量E G P a、泊松比 .减振器的上半部分在工作载荷下变形很小,为减少计算量,建模时可把这些零件假设为刚体;压接环的主要作用是通过施加外力使自身产生塑性变形,从而把气囊压紧在活塞和壳体上,压紧力大小至少要保证气囊在极限载荷下不产生滑移,因此在设计时,压接环要选择延展性较好且满足一定强度要求的材料,材料属性要使用实测得到的真实应力和真实应变.气囊是有限元分析重点关注的零件,它由层橡胶层和层帘线层组成(见图),整体厚度为mmmm.内侧橡胶层较薄,在承受极限压力时该橡胶层被拉伸至更薄,因此要求橡胶有较好的弹性和较高的强度;中间两层帘线层是抵抗腔体内部压强的关键,由橡胶 和 尼 龙 绳 共 同 组 成.通 常,尼 龙 绳 直 径 约 为 mm mm,铺设间隔为mm左右,螺旋角度为 ,且两层帘线旋向相反.尼龙绳直径大小、间隔分布和螺旋角大小会影响到有效截面积Ae的大小,而Ae与刚度直接相关.最外侧橡胶层要求有良好的耐油性、耐氧化性和耐老化性等,以确保气囊在恶劣工作环境中有较高的耐久性.因此中间帘线层和内、外侧橡胶材质往往不同.图空气弹簧结构图气囊结构为确保有限元分析的有效性,橡胶和尼龙绳材料属性推荐使用实验数据或M o o n e y R i v l i n超弹性模型.本文通过设置C、C 两参数来分别模拟橡胶的属性参数.橡胶材料泊松比,选用杂交单元,杂交单元除包含位移和旋转自由度外,还有一个额外的自由度用于计算剪应力和剪应变.帘线层中铺设的尼龙绳可以使用等间距的r e b a r单元来设置.尼龙绳直径往往决定着自身的拉伸强度,图是模拟直径为 mm和 mm尼龙绳的拉伸强度.图不同直径尼龙绳的拉伸强度 年第期董军哲,等:基于A B AQU S软件的空气弹簧静刚度分析 边界条件与作用关系依据空气弹簧在整车状态下的运动方式建立有限元模型边界条件,即固定壳体与车身紧固螺栓处的所有自由度.根据空气弹簧行程设计,在减振器的参考点处施加轴向位移约束,其他方向的自由度可完全固定.空气弹簧内部腔体空气被假设为理想气体,设置理想气体分子量为 k g/m o l,如果使用E x p l i c t方法计算,需要设置摩尔热容量为 J/(k gK).设置环境气压(这里即为标准大气压)为 MP a,设置通用气体常数为 J/(k gK).在接触位置或分析过程中可能会产生接触的位置建立接触对,接触属性的法向可设置为硬接触,切向可根据零件材料的实际摩擦因数设置.为有效定义空腔并能正确地计算其容积,在减振器活塞杆处定义了面单元.模型中采用基于面的腔体建模,并假设腔体内空气是满足理想气体状态方程的可压缩气体.空腔参考点定义在模型的对称平面上,在后处理时可以使用该点提取空气弹簧随行程变化的压强值.建立分析步为了使有限元模型更贴近于实际装配情况,在分析步中考虑了气囊的压装过程.()在上压接环和下压接环处施加一定量的径向载荷来模拟制造过程中的压装环节,实际载荷大小要确保气囊在标准工作气压下不漏气、不滑移.()调整减振器位置到空气弹簧设计状态,并给腔体输入额定压强.()模拟空气弹簧反弹行程,在减振器参考点处施加向下的位移量 mm,到达极限反弹位置.()模拟空气弹簧从极限反弹到极限压缩行程,此分析步的总位移量为 mm,最终到达极限压缩位置.有限元结果分析以及台架验证有限元计算收敛后,在后处理模块A B AQU S/V i e w e r中整理出腔体压强、容积、有效截面积随空气弹簧行程变化的曲线,如图图所示.其中 mm为极限拉伸位置、为设计位置、mm为极限压缩位置.位移路径为:极限拉伸位置设计位置极限压缩位置.图腔体压强位移曲线图腔体容积位移曲线图腔体有效截面积位移曲线台架测试如图所示,个样件的力位移、静刚度位移测试结果及有限元仿真结果如图、图所示.测试的位移路径为:极限拉伸位置设计位置极限压缩位置设计位置极限拉伸位置.图台架测试由图和图可知:空簧轴向承载的仿真结果与测试结果非常贴近;在设计位置附近静刚度的仿真结果与测试结果几乎一致,但在极限压缩和极限拉伸状态附近的静刚度差异较大.分析产生差异的原因是由于在这两种状态下缓冲块和壳体中的橡胶零件产生了一定程度的变形,使腔体的容积发生了变化,然而迫于有限元建模分析的局限性,并没有考虑到这些影响因素.图有限元仿真和测试得到的力位移曲线图有限元仿真和测试得到的静刚度位移曲线(下转第 页)机 械 工 程 与 自 动 化 年第期mm左右.图 梯臂的 阶模态振型结论云梯车工作过程中,受到外界的振动激励源主要有风载荷和发动机的激励,由于模态分析时考虑了风载荷的影响,因此重点考虑发动机传来的激励影响,云梯车工作过程中需要有持续的动力输入,发动机一直处于怠速状态,发动机任意转速的激励频率范围为 H z H z.当云梯搬家车正常作业时,梯架系统的前 阶固有频率都在H z以内,与发动机的激振频率相差较大,不会出现共振现象,而阶数更高之后得到的固有频率又属于高频振动,一般不会被激发.因此经过模态分析可以判定梯架设计在正常工作情况下不存在共振的危险.参考文献:常开颜,朱从云基于AN S Y S的云梯车梯架动力学分析J科技风,():李善德,郑伟光,黄清华预应力碳纤维材料优化云梯车臂架结构分析J专用汽车,():郑金城云梯搬家车结构设计及梯架系统优化D哈尔滨:哈尔滨工业大学,:史月云梯消防车臂架结构的仿真分析与优化D武汉:华中科技大学,:周磊云梯消防车的柔性长臂架主动减振控制方法J专用汽车,():史宗鹰云梯消防车梯架结构有限元分析与优化D武汉:华中科技大学,:M o d a lA n a l y s i so fL a d d e rA r mo fL a d d e rT r u c kB a s e do nA N S Y SF E N GH u i,N O N GQ u a n,ME N GJ i e,G U OJ i a x u a n,L U OY u n y i n g(G u i z h o uJ o n y a n gK i n e t i c sC o,L t d,G u i y a n g ,C h i n a;T a i y u a nU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,T a i y u a n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l o f t h e l a d d e r a r mo f t h e l a d d e r t r u c k i s e s t a b l i s h e db yu s i n gS o l i d W o r k s,a n dt h em o d eo f t h el a d d e ra r mu n d e rw i n dl o a di sa n a l y z e di n W o r k b e n c h T h ef i r s t s t e pm o d a lc l o u dd i a g r a mi sc a l c u l a t e d,a n dt h e nt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dv i b r a t i o nm o d eo f t h e f i r s t s t e p s a r eo b t a i n e d T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e l a d d e rw i l l n o t r e s o n a t ew h e n i ti sw o r k i n g K e y w o r d s:l a d d e r t r u c k;l a d d e ra r m;m o d a l a n a l y s i s;AN S Y S(上接第 页)结论()通过对空气弹簧的刚度进行理论推导,根据气体动力学方程得到空气弹簧刚度的影响因素.()基于A B AQU S建立空气弹簧的动力学仿真模型,考虑了零件材料和边界条件等对分析刚度的影响,并针对重要元件气囊的压装过程建立了模型的分析步.()通过对有限元仿真结果和样件的台架测试结果对比分析,验证了空气弹簧有限元建模方法能够准确地分析其刚度,并且提高了建模速度,减少了后续所需要的实验资源.参考文献:李仲兴,于文浩,刘亚威,等横向互联空气悬架动侧倾角刚度特性J华中科技大学学报(自然科学版),():华艳秋,郭晓晓,张亮修,等汽车空气悬架非线性混沌分析J公路交通科技,():雷强顺,彭友余,汪国胜,等车辆电控空气悬架结构优化模型与优化设计方法研究J兵工学报,():刘星基于A B AQU S的汽车空气弹簧特性研究J产业创新研究,():冯帆,周劲草基于A B AQU S的汽车橡胶空气弹簧振动特性有限元分析J粘接,():Z h o uR,Z h a n gB,L iZ D y n a m i cm o d e l i n ga n dc o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i s o ft h ea i rs p r i n g s u s p e n s i o nJJ o u r n a lo fM e c h a n i c a lS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y,():柴宇君,李志华,黄震,等基于A B AQU S的汽车空气弹簧力学特性分析J南方农机,():刘国漪,张少波,周劲松汽车空气弹簧动静刚度特性分析J海南大 学学 报(自 然 科学 版),():W a n gJ,L vK,W a n gH,e ta l R e s e a r c ho nn o n l i n e a rm o d e la n df u z z yf r a c t i o n a lo r d e rP I Dc o n t r o lo fa i rs u s p e n s i o ns y s t e mJ J o u r n a lo fL o wF r e q u e n c yN o i s e,V i b r a t i o na n dA c t i v eC o n t r o l,():郑冬喜,肖静空气弹簧在汽车悬架系统中的应用分析J科技视界,():,S t a t i cS t i f f n e s sA n a l y s i so fA i rS p r i n gB a s e do nA B A Q U SS o f t w a r eD O N GJ u n z h e,Q I NX i m i n,Z H O UP a n,Y A N G M a o(B e i j i n gW e s t I n d u s t r i e sC o,L t d,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:T h em e t h o do fa i rs u s p e n s i o nu s i n ga i rs p r i n gt or e p l a c et h em e t a lc o i ls p r i n gw a sp r o p o s e d,b a s e do nt h et r a d i t i o n a ls u s p e n s i o na p p l i c a t i o n i s s u e se x i s t i n g i nt h er i d ec o m f o r t a b l ea n dh a n d l i n gc o n t r o l s t a b i l i t y T h es t a t i cs t i f f n e s so fa i rs p r i n ga t t h ed e s i g np o s i t i o nw a sc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y,a n dt h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n m o d e lo fa u t o m o b i l ea i rs p r i n gs y s t e m d y n a m i c si se s t a b l i s h e db yA B AQU Ss o f t w a r e F i n a l l y,t h es t i f f n e s so ft h eb e n c ht e s ts a m p l ei sc o m p a r e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s u l t s T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ee s t a b l i s h e dm o d e l e f f e c t i v e l ys o l v e s t h ep r o b l e mo f c a l c u l a t i n gt h e s t a t i cs t i f f n e s so f t h ea i r s p r i n ga n d i m p r o v e s t h es p e e da n da c c u r a c yo f t h e f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o no f t h ea i r s p r i n g K e y w o r d s:a i r s p r i n g;s t a t i cs t i f f n e s sa n a l y s i s;A B AQU S 年第期机 械 工 程 与 自 动 化