膜式空氣彈簧力學(xué)特性有限元分析*

陳 珂，陳昌垚，陳 晟**，潘曉強，黃浩程

(1.廣東溢康通空氣彈簧有限公司，廣東 云浮 527300；2.江西理工大學(xué)，江西 贛州 341000)

空氣彈簧是一種利用壓縮空氣在柔性密閉容器中壓縮，從而實現(xiàn)彈性作用的非金屬彈簧[1]。由于它表現(xiàn)出優(yōu)良的彈性特性，被廣泛應(yīng)用在車輛懸架裝置中，以提高運行車輛性能。空氣彈簧在航天、汽車、機械等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。如在航天飛行器的地面振動試驗中作為支持，以達(dá)到減振的目的；用在汽車和鐵道車輛的懸架上，可以使車輛更平穩(wěn)安全；用在電子顯微鏡等精密儀器上，用于提高儀器的精度[2]。隨著汽車領(lǐng)域中空氣懸架的作用和應(yīng)用范圍越來越大，研究汽車懸架中的空氣彈簧就具有很重要的實際工程價值。

本文選取非線性有限元軟件ABAQUS，以某膜式空氣彈簧為研究對象進(jìn)行力學(xué)特性仿真分析。隨后開展了橡膠材料模型的選擇、超彈性參數(shù)的設(shè)置、簾線層的設(shè)定和氣體與囊壁之間的氣固耦合設(shè)置，建立了空氣彈簧的非線性三維有限元模型。最后，通過改變對彈簧特性影響較大的初始內(nèi)壓、簾線層數(shù)、間距等的數(shù)值對膜式空氣彈簧的剛度特性進(jìn)行了分析研究，結(jié)果為空氣彈簧簾線層方面的設(shè)計與優(yōu)化提供了有效的參考。

1 空氣彈簧系統(tǒng)工作原理及分類

空氣彈簧是一種由橡膠氣囊、上蓋板及下活塞組成，通過充入壓縮氣體來實現(xiàn)彈性功能的裝置。它一般在0.4～0.6 MPa的內(nèi)壓和-40～70 ℃的環(huán)境中工作，能抵抗磷化物質(zhì)、酸堿性溶液和臭氧等的侵燭[3-4]。

空氣彈簧通過節(jié)流孔連通到附加氣室,高度控制閥固定在車體上，并與轉(zhuǎn)向架連接。在載荷增加時,車體會下降，高度控制閥的進(jìn)氣閥打開，開始將空氣壓入空氣彈簧，直到彈簧恢復(fù)，車體升高到原來的位置；當(dāng)載荷減少時，車體將上升，高度控制閥的排氣閥打開，空氣從空氣彈簧排出,車體高度下降，當(dāng)高度回到原來位置上時，排氣閥關(guān)閉。因此，空氣彈簧在高度控制閥的作用下，其高度始終保持在相同水平，偏差較小。在空氣彈簧的載荷減小時，彈簧的高度升高，內(nèi)腔容積增大,彈簧的剛度減小，彈簧的承載能力減小。載荷增加時的過程與減小過程相反[5]。

2 空氣彈簧有限元分析

2.1 橡膠材料的模型選擇

ABAQUS軟件中提供了多種應(yīng)變勢能模型來模擬橡膠材料特性，包括Mooney-Rivlin模型、Arruda-Boyce模型、Yeoh模型、Neo-Hookean模型等,它們分別用于不同的情況下，通常將這些模型統(tǒng)一稱為“多項式模型”[6]。橡膠材料的應(yīng)力-應(yīng)變行為具有超彈性。模擬超彈性材料的力學(xué)特性可以使用著名的Mooney-Rivlin模型模擬[7]，橡膠的超彈性參數(shù)選擇在Mooney-Rivlin模型中直接輸入應(yīng)變勢能系數(shù)C10=3.2 MPa 和材料常數(shù)C01=0.8 MPa。

2.2 簾線層的模擬

簾線是橡膠氣囊的主要承載部件。由于簾線與橡膠基體拉伸模量等物理性能不同，使得簾線層具有各向異性和非線性特點。有限元分析中常用加強筋模型模擬。加強筋模型將橡膠、簾線層分別作為基體和加強筋。ABAQUS軟件中常用Rebar單元作為加強筋表示簾線層，加強筋模型中是將基體和加強筋采用不同的本構(gòu)關(guān)系描述，它們的應(yīng)力狀態(tài)可以分別得到。因此，這種提供加強筋結(jié)構(gòu)的Rebar單元能夠比較合理的模擬簾線復(fù)合材料的特性。

另外，通過設(shè)置Rebar的橫截面積、Rebar與Rebar之間的距離、Rebar距基體中性面的距離、Rebar在坐標(biāo)系中的布置角度。這些參數(shù)來分別模擬簾線層的簾線直徑、簾線間距、簾線位置和簾線角度。

2.3 氣體單元的模擬與接觸分析

假定膠囊腔內(nèi)的氣體是理想氣體, 且在工作過程中,氣體的溫度和質(zhì)量不會發(fā)生改變。使用ABAQUS中模擬流體變形的充腔氣體單元來模擬橡膠氣囊內(nèi)的氣體。流體腔可以完美地模擬空氣彈簧腔內(nèi)氣體和橡膠氣囊的流固耦合過程，真實地展現(xiàn)了空氣彈簧內(nèi)部的氣體壓力在振動時的變化過程[8]。

為簡化模型，設(shè)定上平板與下活塞為離散剛體，橡膠氣囊與它們之間的接觸是殼單元與剛體的接觸，并假設(shè)不存在摩擦。根據(jù)接觸理論，當(dāng)兩個部件剛度相差較大時應(yīng)選擇剛度大的為主動體，所以在分析過程中設(shè)定上平板與活塞為主動體，橡膠氣囊為接觸被動體。

ABAQUS中可以使用多種類型的約束方法將不同單元類型的幾個部件連接成為一個整體。在本文中，根據(jù)空氣彈簧的實際工作情況，使用多點約束來使空氣彈簧的上平板、活塞與橡膠氣囊連為一個整體。使用ABAQUS中的MPC梁功能將橡膠氣囊上止口和上蓋板的參考點連接在一起，使氣囊和上平板連接成為一個整體一起運動[5]。約束設(shè)置如圖1所示。

圖1 約束設(shè)置

3 空氣彈簧的力學(xué)特性分析

分別研究了不同初始壓力、簾線層數(shù)、間距下的上蓋板支反力與位移的曲線，來研究空氣彈簧的剛度特性。

3.1 不同初始?xì)鈮簩偠忍匦缘挠绊?/h3>

汽車懸架用空氣彈簧的工作初始?xì)鈮阂话阍?.1～0.8 MPa，從 0.2 MPa 開始，分別對 0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 三個不同初始?xì)鈮褐颠M(jìn)行彈簧靜剛度仿真并輸出對應(yīng)的變化曲線，得出不同的初始充氣壓力分別對空氣彈簧靜剛度特性產(chǎn)生影響的程度。將空氣彈簧的行程設(shè)為± 30 mm，負(fù)值代表拉伸行程，正值代表壓縮行程，其中橫坐標(biāo)表示空氣彈簧的拉伸壓縮行程，縱坐標(biāo)表示空氣彈簧上平板剛體參考點的支反力大小，如圖2所示。

圖2 不同初始壓力下的空氣彈簧特性

在圖2中，從上往下分別是空氣彈簧在2層簾線層時初始?xì)鈮簽?0.2 MPa、0.3 MPa、0.4 MPa 時的上平板支反力與位移的剛度曲線。可以得出，在初始?xì)鈮涸龃髸r，空氣彈簧的承載能力有明顯的提高，說明初始?xì)鈮簩諝鈴椈蓜偠扔绊戄^大。在實際應(yīng)用中，適當(dāng)?shù)卦黾映跏級毫δ苊黠@提高空氣彈簧的承載能力，且通過改變初始壓力能使同一個彈簧具有不同的承載能力。

3.2 不同簾線層數(shù)對空氣彈簧特性的影響

初始?xì)鈮簽?0.2 MPa 時2層、3層和4層簾線層的剛度特性曲線如圖3所示。在相同的行程內(nèi)，隨著簾線層數(shù)量的增加，空氣彈簧的初始承載能力幾乎不變，且三條曲線的變化趨勢基本一致，說明簾線層數(shù)對彈簧承載能力影響較小，因此增加或減小簾線層的數(shù)量對彈簧的剛度影響很小。通常情況下，橡膠氣囊的簾線層層數(shù)為兩層，橡膠氣囊可以通過選擇不同數(shù)量的簾線層來滿足懸架的特性要求。

圖3 不同簾線層數(shù)下的空氣彈簧特性

3.3 不同簾線層間距對空氣彈簧特性的影響

初始?xì)鈮簽?0.2 MPa，簾線層間距分別為 2 mm、4 mm、6 mm 時的支反力與位移關(guān)系的曲線如圖4所示。隨著簾線層間距的增大，空氣彈簧的承載能力逐漸下降，從 2 mm 增大到 4 mm 時，變化明顯，4 mm 到 6 mm 卻變化不明顯，說明簾線層間距在對彈簧剛度特性影響是在一定范圍內(nèi)。

圖4 不同簾線層間距下的空氣彈簧特性

4 結(jié)論

1)研究了不同初始壓力空氣彈簧的剛度特性。結(jié)果表明，隨著初始?xì)鈮旱脑黾樱諝鈴椈傻某休d能力大幅度提高，說明初始?xì)鈮簩諝鈴椈傻膭偠扔绊憳O大。

2)在初始?xì)鈮翰蛔儠r，在相同的行程內(nèi)，研究了不同簾線層的剛度特性曲線。結(jié)果表明，簾線層數(shù)對彈簧承載能力影響較小，橡膠氣囊可以通過選擇不同數(shù)量的簾線層來滿足懸架的特性要求。

3)在其他條件不變時，研究了簾線層不同間距時的支反力與位移曲線。結(jié)果表明，隨著簾線層間距的增大，空氣彈簧的承載能力逐漸下降，且在一定范圍內(nèi)的變化對簾線層間距對空氣彈簧剛度特性影響較大。