一种轨道车辆用带箍结构空气弹簧的非线性有限元分析

论 的不 断完善 ， 用 数值 计 算 方 法来 分 析 、 究 空 气 弹 应 研 簧 系统 的特性 可 以避免 解 析 和 图解 方 法 计算 中 的假 设 条件 ， 并且可 以 比较真实 地模 拟空气 弹簧 。
１ 非 线 性 及 分 析 方 法
１ １ 非 线 性 问 题 ．
图 １ 单 层 橡 胶一 帘 线 复 合材 料 的微 观 结构
大。
合＿ 。 本 文 的计 算 中辅 助 弹 簧 橡 胶 部 分 采 用 三 维 ８ ４ 在 ］
莫 荣 利 （９ ３ ） ， １ ７ 男 湖南 邵 阳人 ， 级 工 程 师 （ 回 日期 ：０ １ ０ ９ 高 修 ２ １ —１ —１ ）
第 ２期
一 种 轨 道 车 辆 用 带 箍 结 构 空 气 弹簧 的非 线性 有 限 元 分 析
摘 要
运 用 了 Ａ ＡＱ Ｂ ｕｓ有 限元 软 件 建 立 带 箍 结 构 空 气 弹 簧 的静 态 有 限 元 模 型 。并 利 用 有 限元 模 型 对 影 响此 类
结 构 空 气 弹 簧 垂 向 和 横 向性 能 的 因素 进 行 了分 析 。分 析 与 试 验 结 果 对 比来 看 ， 基 本 一 致 的 。 是 试 验 结 果 表 明 ， 运 用 的 计 算 方 法是 行 之有 效 的 ， 以应 用 于 类 似 空 气 弹 簧 的性 能 分 析 ， 将 为 新 型 空 气 弹 簧 所 可 并
ＡＸ Ｅ公 司完 成 ， Ｌ 运用 Ｏｄ ｅ （ ｇ ｎ Ｎ一４ 本 构模 型进 行 拟 ）
弧长 法是用 于 求解 非 线 性 负 刚度 问题 最 为 有 效 的
方法 。弧长 法 的适 用性 很强 ， 收敛 性和 鲁棒 性 明显 好 于 其他处 理 负刚度 问题 的方法 。但是 该 方 法 计 算 量相 当
对 于形状 复 杂 的 空气 弹 簧 ， 图解 法 则 计 算 过 于 繁 琐 、 度不 高 、 精 可操作性 差 ， 实 际工程 应 用 的指导 意 义 对
２ 带箍 结构 空气 弹簧有 限元模 型 的建 立
２ １ 带箍结 构 空气 弹簧 的材 料本 构模 型 ． 如 图 １ 示 ， 胶 ～帘线 复合材 料 实质 上 是 由作 为 所 橡
Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ ０ ０ ０ ０
（） ２ 载荷增 量法 载荷增 量法 具有普 遍 的适用 性 ， 了应 用于 负 刚度 除 问题 外 ， 它能够 适 用 于所 有 的非 线性 问题 ， 只要 控 制 好 载荷 的增 量水 平就可 以达 到 收敛 的 目的。
采用 理论分 析 和试 验测 定 的方法 ， 用有 限元 法分 析 空气 弹簧 特性 还处 在探 索 阶段 。理 论分 析 方 法 可 以用 解 析 法或 图解 法对形 状简单 的空气弹 簧计算 出 近似解 。，
一
种轨 道 车辆 用 带箍 结构 空气 弹 簧 的非 线性 有 限元 分 析
莫荣 利 ， 文海 唐 应 时。 。陈 ， ，黄友剑 ，陈灿 辉
（ 株 洲时代新 材料科 技股 份有 限公 司 ，湖 南株 洲 ４ ２ ０ ； １ １ ０ ７ ２ 湖南大 学 机 械 与运载 工程 学院 ，湖 南长 沙 ４ ｌ Ｏ ） １ Ｏ Ｏ
不 大 。且 其气 囊本体 的刚度还 需要 通过 试 验来 确 定 ， ］
但试 验方 法受 试验条 件 和试 验环 境 限制 ， 并且 试样 试 制 开 发周 期长 ， 制 费用也 很高 。 研 随着 计算 机技 术 的发 展 和 工 程力 学有 限元 分 析 理
增 强相 的帘线 在 气 囊基 体 相 橡 胶 中排 列 成 的刚 柔 相 辅 的复合 材料 ， 呈现 明显 的各 向异性 和非线 性 特性［ 。 ３ ］
的设 计 、 制 开发 提 供 了一 定 的 理 论 计 算 依 据 。 研 关键词 结 构 ； 气 弹 簧 ； 限元 ；非 线 性 空 有
文 献标 志码 ： Ａ 中 图分 类 号 ： ７ ． ３ 特 性 的研 究 目前 主要 还 是
（） １ 气囊 橡胶 材料 的本 构模 型 空 气 弹簧系 统在运 动过 程 中 ， 橡胶 气 囊产 生 较 大 的
挠 曲变 形 ， 橡胶 材料 表现 出高度 的非线 性 。其 简单 的 其
超弹性 模 型为 Ｍｏ ｎ ｙＲ ｖｉ ｏ ｅ～ ｉｌ ｎ形式［ 。 ３ Ｊ
非 线性 、 变形带 来 的几 何非 线性 以及 气囊 与 上盖 板 和 大
（ ） 助弹 簧橡胶 材料 的本构 模 型 ２辅
辅 助 弹簧接 触非 线性 。
１ ２ 非 线性 问题分 析 的主要 方法 ．
（ ） 长 法 １弧
空气 弹簧辅 助 弹 簧 由橡 胶 层 和金 属 板 组 成 。辅 助 弹簧对 空气 弹簧 系统横 向性 能影 响很 大 ， 了更 加 精确 为 地对 其进行 模拟 ， 对所 用胶 料配 方试 样 进行 了单 轴 拉伸 试验 、 双轴 拉伸试 验 和平 面剪切试 验 。以上 试验 在 美 国
第 ３ 卷 第 ２期 ２
２１ ０ ２年 ４月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ ＡＹ ＯＣ ＬＷ Ｌ ＯＭ ＯＴＩ ＶＥ ＆ ＣＡＲ
Ｖ ｏ ＿ ２ Ｎｏ．２ ｌ３
Ａ ｐｒ ． ２ ２ ０１
文章 编号 ：０ ８ ８ ２（０ ２ ２ ０ ４ ５ １ ０ —７ ４ ２ １ ）０ —０ １ —０
橡
结 构 的非线性 问题 是 指结 构 的刚 度 随 其 变形 而 改
变 的分 析 问题 。在非线 性分 析 中， 构 的 刚度矩 阵在分 结
析过程 中必 须进 行 许 多次 的更 新 、 求逆 ， 使得 非 线 性 这 分析求 解 比线性分 析更 加耗 时 ， 计算 费用 也更 多［ ］ ２ 。 空气 弹簧结 构分 析 涉 及 了气 囊 和 辅 助 弹 簧材 料 的