基于Abaqus的汽车空气弹簧特性研究_刘星.pdf

工 程 技 术产业创新研究 2023.1 第2 期132作者简介：刘星，女，黑龙江加格达奇人，硕士研究生，江苏联合职业技术学院无锡交通分院汽车维修教研室主任，汽车专业教师，研究方向：汽车动态性能研究、汽车职业教育。基于 Abaqus 的汽车空气弹簧特性研究刘 星（江苏联合职业技术学院无锡交通分院，江苏 无锡 214151）摘要：以某汽车膜式空气弹簧作为研究对象，通过分析空气弹簧的结构及工作原理，并用 Abaqus 软件建立有限元分析模型。通过仿真计算得到空气弹簧的刚度特性，并探究影响其刚度的因素。通过仿真结果表明：在相同气压下膜式空气弹簧的帘线面积、间距和角度对静态特性影响较大，为空气弹簧的设计及开发提供研究基础。关键词：膜式空气弹簧；Abaqus；有限元分析；刚度；帘线一、引言悬架系统减振元件的优劣性对于行驶车辆平顺性和操纵稳定性具有直接影响，而空气弹簧作为一种低频减振器，具有可变刚度、高度可控、成本低、隔振效果好等优点1，因此被广泛应用于商用车和部分高档乘用车上。空气弹簧类型根据气囊结构形式的不同可分为膜式、囊式和袖筒式2，由于膜式弹簧的刚度相较于囊式弹簧小，且结构简单，通过改变结构即可获得理想的弹性特性，因此在乘用车上普遍采用该类空气弹簧。空气弹簧的设计与开发难点主要集中于其非线性弹性特性研究，因此国内外学者对于如何准确地获得该非线性特性展开了大量的研究。Yuasa3等利用有限元软件对空气弹簧的刚度及结构参数匹配进行大量研究；Facchinetti4等对影响空气弹簧动刚度的影响因素展开研究，并得到气压和温度与动刚度之间的关系；袁春元5等进行大量的仿真和实验研究，提出了空气弹簧橡胶气囊的非线性特性分析方法；林国英6等分析了空气弹簧垂向载荷及刚度与非线性材料之间的关系。总体来说，在对空气弹簧非线性特性进行分析时，利用计算机软件仿真可以缩短开发流程，减少实验成本，提高开发效率，是现代研究空气弹簧非线性特性的有效手段。本文以乘用车膜式空气弹簧作为研究对象，通过使用Abaqus 软件建立有限元分析仿真模型，并进行一系列的参数设置，用于模拟空气弹簧的实际工作过程，并探究影响其非线性静态特性的因素，为膜式空气弹簧的设计和开发提供一定的研究基础。二、膜式空气弹簧有限元模型（一）膜式空气弹簧模型空气弹簧是在橡胶气囊中充入一定压强的压缩空气，并利用空气的可压缩性输出反作用力实现弹性作用的一种悬架弹簧7。空气弹簧在工作时，随着簧上载荷的增加或减小，空气弹簧的高度也会发生变化，引起气囊有效面积和气压的变化，进而刚度也随之发生变化。空气弹簧的刚度可以通过调节活塞形状、充气气压、气囊材料和帘线参数来得到理想的刚度特性。为了对空气弹簧的非线性弹性特性进行分析，利用Abaqus 软件建立模型，为了提高计算速度，简化了影响较小的结构，如图 1 所示，其中上盖板和活塞面的材料主要是镀铬的钢或铝合金，在工作过程中不会发生形变，因此设定为刚体，并设置相应的参考点，之后的载荷设置可以直接设定在参考点上。1.上盖板 2.橡胶气囊 3.活塞图 1 空气弹簧模型工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究133在进行网格划分时，由于气囊变形较大，因此使用四节点壳单元（S4R）以扫掠形式划分，上盖板和活塞则用R3D3、R3D4 进行划分。在定义气体单元时使用三维四节点静水流体单元（F3D4），且与相邻的壳单元共节点，可在橡胶气囊的中轴线上设定一个气体单元参考点，并使用流体腔来定义，结果如图 2 所示。图 2 空气弹簧有限元网格模型（二）非线性特性处理空气弹簧在工作过程中存在大变形，因此需要考虑有限元模型的材料、接触、几何非线性等问题。膜式空气弹簧的气囊是由橡胶和帘线硫化而成，表现为高度非线性弹性，在 Abaqus 里可用超弹性材料来模拟该属性。本文只考虑橡胶的非线性，且假设材料的不可压缩性，因此其力学性能可用 Mooney-Rivlin 模型来描述8：U=C10（I1-3）+C01（I2-3）（1）式中：U 为应变能密度函数，C10、C01为超弹性材料常数，I1、I2分别为第 1 和第 2 偏应变量。帘线层作为橡胶气囊的主要承受力部件，可利用 Abaqus里的加强筋 rebar 单元进行模拟，通过定义 rebar 单元的间距和角度等参数来模拟帘线层的结构及布置情况。本文使用的帘线参数见表 1。在定义边界接触条件时，考虑到橡胶气囊在工作过程中会与上盖板和活塞面发生接触，因此使用 Tie 接触来定义气囊的上下口和上盖板、活塞边缘处的接触，其中气囊的上下口接触面为主面，上盖板、活塞边缘处接触面为从面。同时空气弹簧在运动过程中，气囊会与活塞面发生接触，因此以活塞面为主面，气囊面为从面建立接触，滑移公式设为有限滑移，接触属性的摩擦定义为罚摩擦，摩擦系数设定为 0.5。通过以上设置，完成空气弹簧非线性特性处理。三、空气弹簧有限元仿真（一）空气弹簧工作过程有限元仿真使用 Abaqus 进行有限元仿真主要是根据所设定的分析步进行。在设定分析步时，模拟空气弹簧的工作过程，分为充气、压缩和拉伸 3 个步骤。由于空气弹簧的变形属于几何非线性，使用 ABAQUS 软件中的 Largrange 法进行计算。在充气步中，可在气体单元参考点上施加初始气压为0.5Mpa，模拟充气过程，如图 3 所示。（a）充气前（b）充气后图 3 空气弹簧充气后应力对比云图在压缩和拉伸阶段，可以通过设定上盖板与活塞的边界条件来实现空气弹簧的运动情况。具体设置方式为：在充气阶段，对上盖板与活塞的参考点施加 6 个自由度的位移约束；在压缩和拉伸阶段，保持活塞位移约束不变，对上盖板参考点的轴向上施加 20 的位移，模拟空气弹簧压缩和拉表 1 膜式弹簧帘线层参数层数面积/mm2间距/mm角度/距中性面/mm20.1420.5410.36工 程 技 术产业创新研究 2023.1 第2 期134伸的工作过程，定义压缩为正方向，拉伸为负方向，并记录作用于上盖板参考点反作用力的大小。仿真得到的充气后膜式空气弹簧压缩与拉伸应力云图如图 4、图 5 所示。在整个分析过程中，得到橡胶气囊内的气压及有效体积变化如图 6、图 7 所示。由图 6、图 7 可知，在充入 0.5Mpa 气压后，压缩空气弹簧气压先增大后减小，同时结合气囊腔室内体积变化情况，可以对空气弹簧的刚度特性进行计算和设计。（二）空气弹簧帘线设计研究帘线层是空气弹簧橡胶气囊的主要承载部分，其结构对于空气弹簧的工作特性具有重要的影响，因此以下将对空气弹簧帘线的设计进行研究。在初始气压保持不变的情况下，先改变帘线的面积，研究空气弹簧的静态特性，仿真得到的结果如图 8 所示。由图 8 可以看出，帘线面积的大小影响空气弹簧的静态特性，且静态承载能力随着帘线面积的增大而增大。图 4 空气弹簧压缩应力云图图 5 空气弹簧拉伸应力云图图 6 橡胶气囊内压强变化图图 7 橡胶气囊内体积变化图工 程 技 术INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究135图 8 不同帘线面积的空气弹簧静态特性保持帘线面积相同，改变帘线间的间距，探究其与空气弹簧的静态特性的关系，得到的仿真结果如图 9 所示。图 9 不同帘线间距的空气弹簧静态特性由图 9 可以看出，帘线的间距越大，空气弹簧的静态承载能力越小。保持其他条件相同，改变橡胶气囊帘线的角度，仿真得到的结果如图 10 所示。由图 10 可知，帘线角越大，空气弹簧的静态承载能力减小，且在标准位置处的变化较小，两端则变化较大，可用于空气弹簧刚度的设计。图 10 不同帘线角的空气弹簧静态特性根据以上仿真，得到帘线结构与空气弹簧静态承载特性的关系，可以根据所需要的弹性特性选择合适的帘线结构。四、结语通过建立膜式空气弹簧有限元模型，并根据实际工作状态进行仿真，验证了所建模型的有效性。同时对影响空气弹簧静态特性的橡胶气囊帘线结构进行研究，结果表明空气弹簧静态承载能力随着帘线间距和帘线角的增大而减小，随着帘线面积的增大而增大，为空气弹簧设计开发提供一定的研究基础。参考文献：1 张利国，张嘉钟，贾力萍，等.空气弹簧的现状及其发展 J.振动与冲击，2007，26（02）：146-151.2 Min Z，Luo S，Chang G，et a1.Research on the mechanism of a newly developed levitation frame with mid-set air springJ.Vehicle System Dynamics，2018（01）：1-20.3 Yuasa T，Sakai T，Hosoya H，et al.application of CAE in the development of air suspension beamJ.Circulation Journal Official Journal of the Japanese Circulation Society，1997，67（01）：93-103.4 Facchinetti A，Mazzola L，Alfi S.Mathematical modelling of the secondary air spring suspension in railway vehicles and its effect on safety and ride comfortJ.Vehicle System Dynamics，2010，48（01）：429-449.5 袁春元，周孔亢，吴琳琪，等.汽车空气弹簧橡胶气囊的结构分析方法 J.机械工程学报，2009，45（09）：221-225.6 林国英，刘少义，许恒波.基于 Abaqus 的汽车用空气弹簧的有限元分析及试验研究 J.橡胶工业，2015，62（06）：363-366.7 屠德新，黄昌文，陈毛权，等.基于 ABAQUS 的帘线参数对汽车空气弹簧垂向刚度影响的研究 J.汽车技术，2011（02）：10-13+17.8 吴国栋，李碧波.法国 TGV 的发展历史和技术特点 J.国外铁道车辆，2007，44（01）：5-8.