帘线层参数对空气弹簧性能的灵敏度分析

The project supported by the National High Technology Research and Development Program of China ( 863 Program) ( No.
20090824 收到初稿 , 20100119 收到修改稿。! 863∀ 国家高科技计划资助项目 ( 200722010102381) 。 姜 莞 , 女 , 1981 年 10 月生 , 黑龙江省哈尔滨市人 , 汉族。 吉林大学汽车工程系博士研究生 , 研究方向为汽车系统动力学与控制。 通信地址 : 长春市人民大街 5988 号吉林大学南岭校区汽车工程学院 ( 130025) 。 E mail: jiangguan07@ mails. jlu. edu. cn 史文库 , 男 , 1960 年 10 月生 , 吉林省长春市人 , 汉族。 吉林大学汽车工程系教授 , 博士生导师 , 汽车系党支部书记 , 常务副主任 , 博士 , 美国 汽车工程师学会 ( SA E) 会员、中国机械工程学会高级会员、机械工业部中国机械工业青年 科技专家、 吉林大 学车辆工程专 业汽车系统动力 学 方向学术带头人 , 2002 年 10 月至 2003 年 10 月 , 加拿大大不列颠哥伦比亚大学 ( UBC) 访问学者。长期从事汽车系统动力学与控制、汽车振 动 噪声分析与控制等方向的研究 , 重点在汽车动力传动系扭转振动、 驾驶室悬置系统隔振、 发动机悬置系统主、 被动隔振 , 整车 NVH 方面开展 研究。 承担国家自然科学基金、 国家! 863∀ 、教育部博士点基金、留学回国启动基金、 吉林省重点、 吉林省重大专项、吉林省汽车办和长春 市 振兴东北老工业基地等项目 13 项 ; 完成企业委托解决汽车的 NVH 问题和汽车零部件开发等项目 8 项。 发表学术论文 50 余篇 , 获得国家专利 4 项 , 主编教材 1 部 , 参编教材 1 部。 通信地址 : 长春市人民大街 5988 号吉林大学南岭校区汽车工程学院 ( 130025) 。
摘要 回顾商用车空气弹簧的发展和研究概况。运用有限 元方法 在 ABAQUS 软件中 建立空 气弹簧 的模型 , 并对 其
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弹性 特性进行仿真计算。在所建有限元模型中 , 用 Rebar 单元模拟帘线复合材 料 , 用 符合流体静 力学条件 的流体单元 模 拟空气弹簧内部的压缩气体。通过将仿真结果与在 MTS831 弹性元件测 试系统中 的空气弹簧 弹性特性 试验结 果进行 对 比 , 验证静态仿真可行性和精确性。对空气弹簧的初始内压 和帘线层的 各项设计 参数进行 灵敏度 分析 , 结果表 明 , 帘 线 角和帘线间距对空气弹簧静态特性的影响较大 , 二者均为较容易改变的设计参数 ; 帘线角和帘线层数对 空气弹簧动态 特 性的影响较大。分析结果可为同类空气弹簧的设计与优化提供参考。 关键词 空气弹簧 帘线层 有限元分析 ABAQUS 灵敏度分析 中图分类号 U463. 33 T B115 Abstract The past progress in the study of air spring was reviewed. A 3D model of an air spring was carried out with finite ele ment analysis( FEA) software ABAQUS to study the influence of curtain line layer s parameters on the characteristics of the air spring. Shell elements were used to build the FEA model and rebar structure was adopted to simulate the curtain line layers. The air in the cavity of air spring was represented by the hydrostatic fluid elements of ABAQUS. The calculated stiffness characteristics of air spring were studied. The static results from the simulation coincided well with the experimental data gathering by the MTS831 elastic component test ing system. With the proposed model the stiffness performances of air spring were estimated under different inflation pressure and curtain line layer s parameters, utilizing sensitivity analysis method. The study reveals that: the angle of curtain line and the spacing of curtain line have more influences on the static characteristics of air spring , and they could be altered easily; the angle of curtain line and the number of layers of curtain line have more influences on the dynamic characteristics of air spring. There is certain referencing signifi cance for the design and optimizing of air spring of the same kind. Key words Air spring; Curtain line layer; Finite element analysis( FEA) ; ABAQUS; Sensitivity analysis method Fax : + 86 431 85095443 Corresponding author : SHI WenKu , E mail : shiwk @jlu . edu . cn , Tel : 200722010102381) . Manuscript received 20090824, in revised form 20100119.
Journal of Mechanical Strength 研究简报
2011, 33( 1) : 131 136
帘线层参数对空气弹簧性能的灵敏度分析
SENSITIVITY ANALYSIS OF CURTAIN LINE LAYER S PARAMETERS CHARACTERISTICS OF AIR SPRING
原因是帘线的拉伸模量不等导致的。ABAQUS 有限元 软件提供 rebar 单元来处理加强结 构 , 用其模拟帘 线复合材料较强的几何和物理非线性效果很好。 帘线层的相关参数有帘线的横截面积、 帘线间距、 帘线角、 帘线层与气囊壁中性面的距离。它们分别由 壳单元中设定的 rebar 的几何特性 ( rebar 的横截面积、 rebar 与 rebar 之间的距离、 在壳单元坐标系中 rebar 的 布置角度、 rebar 到壳单元中性面的距离) 描述
姜 莞 黄 颖 史文库 姚为民 轧 浩 刘祖斌 ( 1. 吉林大学 汽车工程学院 汽车动态模拟国家重点实验室 , 长春 130025) ( 2. 中国第一汽车集团公司 技术中心 , 长春 130011) JIANG Wan HUANG Ying SHI WenKu YAO WeiMin YA Hao LIU ZuBin ( 1. State Key Laboratory of A utomobile Dynamical Simulation , College o f Automotive Engineering , Jilin University , Changchun 130025, China ) ( 2. First Automobile Works Group Corporation , Research and Development Center , Changchun 130011, China )
文应用 ABAQUS 提供的流体单元, 三维三节点气体单 元 F3D3 和三维四节点气体单元 F3D4, 建立的气体单 元在橡胶气囊的上止口和底座下部内圈处将整个充气 容腔封闭起来, 实现整个空气弹簧内部的压缩气体的 模拟。 在空气弹簧有限元模型的对称轴上设有一个参考 点, 归空气弹簧腔内的所有气体单元共用。在仿真计 算中 , 通过各气体单元节点相对于此参考点的位移 , 计 算出此时空气弹簧腔内气体的体积, 从而推算出腔内 的瞬时气体压力。在空气弹簧腔边界处的节点是由气 体单元与其他单元共享的 , 因此在橡胶气囊变形时 , 气 体单元随边界处其他单元 ( 如橡胶气囊壳单元 ) 运动而 运动 , 从而产生气体单元的体积变化, 进而反映出空气 弹簧腔内压力的变化。 1. 2 建立三维模型 由于本文采用编写 INP 文件的方式建模, 所以在 建立三维模型的时候直接将网格划分好。在空气弹簧 工作过程中, 橡胶气囊会沿底座挠曲变形, 所以应合理 划分网格 , 在橡胶气囊曲率半径较小的部位和橡胶气 囊可能与底座相接触的部位, 适当细分网格, 以提高计 算精度; 在不发生接触且曲率较大的部位可适当粗略 划分 , 以在对精度影响不大的情况下节省计算时间。 在建立空气弹簧有限元模型过程中 , 划分网格时 只须对空气弹簧的橡胶气囊和气体部分划分网格。先 将橡胶气囊和气体部分在轴向方向定义出节点 , 再将
源自文库
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机
械
强
度
2011 年
引言
空气弹簧是一种优质的低频减振、 隔振器 , 作为空 气悬架和驾驶室悬置的关键部件广泛 应用于商用车 上, 还应用于光弹桌、 激光试验台面、 微制造平台的环 境隔振、 电动振动台的隔振和支承等。我国的商用车 空气弹簧在设计和制造上与发达国家相比还有相当大 的差距
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。ABAQUS 软件具有符合流体静力学条
件的充腔流体单元, 该流体单元可以使结构变形和作 用在边界上的流体压力之间相互耦合, 能真实再现空 气弹簧在振动过程中腔内气体压力的变化
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。本文的研究选择非线性有限元分 建立空气弹簧有限元模型。
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。本
析软件 ABAQUS
2 [ 14] [ 13]
。为改变这一现状, 我国部分科研院所、 高
。本
校和企业对商用车空气弹簧进行大量的研究 , 进行了 [2 3] 空气弹簧的静、 动特性和气室容积特性等试验 , 实 验研究不同激励频率条件下空气弹簧垂直刚度、 阻尼 和动 刚 度随 主、 附 气 室之 间 节 流 孔 孔径 变 化 的 规 [ 4 5] [ 6] 律 , 建立空气弹簧的力学模型、 数学模型 , 运用 计算机技术研究空气弹簧等。由于空气弹簧囊体由多 层复合材料组成 , 且囊体在工作载荷下产生大变形 , 还 涉及到接触非线性问题 , 从而使空气弹簧的设计和理 论分析具有较大难度。运用非线性有限元法 , 能克服 传统计算公式的局限 , 具有成本低廉、 参数调整容易等 优点 , 因此现在很多学者都运用非线性有限元分析技 术结 合 理 论 和 试 验 方 法 对 空 气 弹 簧 进 行 研 究
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中帘线层的横截面积为 0. 071 mm ( 直径为 0. 3 mm) 、 帘线间距为0. 5 mm、 帘线角为 45#; 该空气弹簧橡胶气 囊的帘线层有两层, 分别位于囊壁中性面两侧 0. 5 mm 处。 空气弹簧使用前先向其充入压缩气体 , 并密封在 空气弹簧腔内。由于气体只随空气弹簧的压缩或拉伸 发生变化 , 不具有流动性 , 一些有限元软件在气体压力 定义时, 只能对空气弹簧腔内壁施加定值压力 , 该压力 在空气弹簧工作过程中是不变的, 只能采用多步分析 方法解决