客車空氣懸架互聯管路的U型彎管模態分析

摘? 要：某互聯空氣懸架系統的互聯管路由于高速氣流的沖擊，極為容易出現共振，從而造成異響，損壞管路系統。其中U型管由于出現兩次折彎，最容易形成氣流沖擊，出現共振的可能性最大。為了研究U型彎管不同壁厚的特性，基于Siemens NX對U型管進行建模，并進行了模態分析，從分析結果看，若U型管的固有頻率較高，則發生共振的可能性較小。此外，為了研究壁厚對U型彎管動態特性的影響，分別對0.8mm和0.3mm兩種壁厚的彎管進行了模態分析。結果表明，壁厚對彎管的動態特性影響顯著。

關鍵詞：空氣懸架;互聯管路;模態分析

中圖分類號：U463.33? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0167-04

Abstract：Due to the impact of high-speed air flow，the interconnection pipeline of an interconnected air suspension system is very prone to resonance，resulting in abnormal noise and damage to the pipeline system. Among them，the U-tube is most prone to air shock due to its double bending，and the possibility of resonance is the greatest. In order to study the characteristics of different wall thicknesses of u-bend tubes，modeling of U-bend tubes was carried out based on Siemens NX，and modal analysis was conducted. According to the analysis results，the natural frequency of U-bend tubes was relatively high，and the possibility of resonance was relatively small. In addition，in order to study the influence of the wall thickness ratio on the dynamic characteristics of U-bend pipes，modal analysis was conducted for two types of bending pipes with wall thickness of 0.8mm and 0.3mm respectively. Results the dynamic characteristics of the curved pipe were obviously affected by the surface and wall thickness.

Keywords：air suspension;interconnection pipeline;modal analysis

0? 引? 言

空氣懸架相比板簧懸架具有更好的舒適性、安全性和道路友好性，是歐美校車的標配，但在我國還沒有完全普及。互聯空氣懸架是一種更加先進的空氣懸架形式，通過互聯管路將同一個車橋上的兩個空氣彈簧連接起來，實現空氣互通，從而使兩側空氣彈簧形成一個動態的氣壓平衡狀態。這種空氣的流動由互聯管路中的電磁閥來控制。當空氣流通時，速度極快，容易形成沖擊，可能會造成共振，因此，本文研究的目的是考慮U型管在裝夾狀態下的固有特性。

對互聯空氣懸架以及互聯管路及其零部件的研究在國內外都有發現，如2009年，德國的Friedrich等[1]研究了互聯管路的內徑和空氣懸架的減震效果，發現兩者之間存在正相關關系。江蘇大學的李仲興等[2]則對橫向互聯空氣懸架的互聯管路進行了模態分析，研究了橫向互聯空氣懸架系統中互聯管路部件的共振問題。互聯管路是實現空氣彈簧互聯的關鍵部件，前人對其研究主要集中在管路內徑對懸架性能的影響上，忽略了互聯管路部件自身結構的安全性與可靠性，路面的不平整對車輛的振動激勵是時時刻刻存在的，氣流的沖擊也是激振源，當激振頻率與互聯管路部件的固有頻率相近時會引起互聯管路的共振，在產生噪聲的同時也會損壞零部件[3，4]。

1? 模型前處理

在Siemens NX 12.0中建立U型管的三維模型，模型包括一個橫向管，兩根豎向管和兩個裝夾段，如圖1所示。該模型較為光順，不需要進行幾何清理。

在完成三維建模以后，進入NX的前后處理模塊。考慮到彎管壁厚較薄，因此，采用板殼單元進行分析。[5，6]

模型前處理設置如下[7]：

求解器：NX Nastran;分析類型：結構;解算類型：SOL103實特征值;

材料：AISI Streel_1005，其屬性為：密度7.872e- 06kg/mm3，楊氏模量2×108kPa，泊松比0.25;

殼單元物理屬性：厚度為0.5mm，慣性比彎曲系數為1，橫向剪切厚度比為0.833333;

單元類型：CQUAD4;單元大小：1mm;自動映射網格劃分;單元總數：5853;

邊界條件：在左右裝夾處施加固定約束，位移坐標系選擇圓柱坐標系，固定所有自由度;

所有模型前處理完成后得到U型彎管的有限元模型，如圖1（b）所示。

2? 求解結果及分析

模型設置以后進行求解，解算類型設為SOL103實特征值，特征值方法選Lanczos，計算前五階模態，不設置頻率上下限。求解結果如圖2所示。

從圖2的云圖可以看出，前兩階振型的變形很小，基本上不會影響管路系統的正常工作。U型扭力桿模態分析結果如表1所示。

3? 不同壁厚的U型彎管模態分析

為了研究壁厚對U型彎管的動態特性作用是否顯著，分析壁厚0.8mm和0.3mm下的固有頻率和振型，在Siemens NX中只要修改FEM模型中的單元壁厚屬性即可，其余設置保持不變，極大地提高了分析的效率。其結果如圖3和圖4所示。

從表2可以看出，隨著壁厚的變小，各階固有頻率都有所降低，可以看出壁厚對U型彎管的動態特性影響顯著。壁厚0.3mm和0.5mm的振型基本相似，壁厚增加到0.8mm時扭動變形幅度要明顯小很多，說明增加壁厚對提高彎管的動態特性還是具有積極效果的。但每一階固有頻率都遠高于氣流沖擊頻率，因此，可考慮將U型彎管的壁厚降低到0.3mm。

4? 結? 論

U型彎管的結構特色決定了其受氣流沖擊的影響很大，使用金屬結構可以讓彎管的固有頻率遠離氣流沖擊頻率，從而有效避免共振的發生。對于結構比較規律的薄壁結構，研究其壁厚對結構性能的影響可以通過設置殼單元的壁厚來實現快速建模和分析，減少了大量的重復性工作。

參考文獻：

[1] WOLFMONHEIM F，S CHUMACHER M，FRANTZEN M，et al. Interlinked air suspension systems -the influence on ride comfort in testing and simulation [J].ATZ Auto Technology，2009，9（3）：58-61.

[2] 李仲興，管曉星，郭子權，等.橫向互聯空氣懸架互聯管路模態分析 [J].廣西大學學報（自然科學版），2017，42（6）：2008-2014.

[3] 王斌華，呂彭民.五節臂混凝土泵車的有限元建模與模態分析 [J].廣西大學學報（自然科學版），2011，36（5）：735-739.

[4] JIANG H，QIAN K，JU L，et al. Simulation and Experimental Study on Static and Dynamic Characteristics of Laterally Interconnected Air Suspension [J].Applied Mechanics and Materials 2014，577：273-276.

[5] 黃志超，程俊，管昌海，等.汽車扭力梁后懸架模態分析 [J].機械設計與研究，2018，34（1）：107-112.

[6] 杜平，胡夏夏.管路系統的模態分析 [J].輕工機械，2012，30（3）：29-31+35.

[7] 洪如瑾，陸海燕.NX CAE高級仿真流程 [M].北京：電子工業出版社，2012.

作者簡介：項菲菲（1988-），女，漢族，江西宜春人，講師，碩士，研究方向：汽車安全技術。