基于ABAQUS 和ISIGHT 的帶附加氣室空氣彈簧動(dòng)剛度特性研究

高鵬堂

武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000

空氣懸架是一種主動(dòng)懸架，具有振動(dòng)頻率低、剛度變化大、抗沖擊性能好等特點(diǎn)。空氣懸架系統(tǒng)的核心部件由一個(gè)氣動(dòng)彈簧組成，其中應(yīng)用最為廣泛的是帶附加氣室空氣彈簧系統(tǒng)中更大的氣室容積配合智能控制策略，可以讓空氣彈簧具有更寬的剛度變化范圍，能發(fā)揮出更加優(yōu)越的性能。文章在帶附加氣室空氣懸架的基礎(chǔ)上，以改善空氣彈簧的動(dòng)剛度為主要目標(biāo)，對(duì)空氣彈簧結(jié)構(gòu)展開(kāi)有限元仿真分析，通過(guò)分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，為實(shí)現(xiàn)改進(jìn)空氣彈簧系統(tǒng)的性能提供必要的理論和技術(shù)支持。

1 仿真模型建立

利用ABAQUS 軟件實(shí)現(xiàn)某帶附加氣室的膜式空氣彈簧有限元模型建立。首先，在單元選擇上，采用與ABAQUS 單元S4R 相對(duì)應(yīng)的四節(jié)點(diǎn)殼單元對(duì)橡膠氣囊進(jìn)行建模，采用四個(gè)節(jié)點(diǎn)（F3D4）對(duì)氣囊壁面進(jìn)行模擬，理想狀態(tài)下的壓縮氣體與固體發(fā)生耦合現(xiàn)象，故采用固體性質(zhì)的靜態(tài)流體單元[1-2]。

其次，網(wǎng)格劃分。氣囊材料在受載時(shí)其形變和位移呈非線性，因此應(yīng)對(duì)氣囊材料進(jìn)行詳細(xì)的網(wǎng)格劃分，在氣囊與剛性體接觸的部分同樣作出類似劃分，而上、下蓋板的剛體部分可以做簡(jiǎn)要處理[3]。

最后，邊界和接觸條件設(shè)置。上、下蓋板預(yù)先預(yù)設(shè)定為殼單元，通過(guò)Constraints 的剛體約束（Rigid）設(shè)置為剛體。對(duì)于上、下蓋板與氣囊材料的貼合接觸部位，則采用綁定約束（Tie）對(duì)接觸部位的點(diǎn)進(jìn)行約束，氣囊是主要的封閉曲面，表面的法線方向必須指向氣腔內(nèi)部[4]。連接管路的定義和建模采用具有8 自由度的二維二節(jié)點(diǎn)單元（F2D2），利用節(jié)點(diǎn)位置確定主副氣室之間的位置關(guān)系，模擬實(shí)現(xiàn)兩氣室之間的氣體流動(dòng)。

2 動(dòng)態(tài)分析

采用ABAQUS 中的Explicit 模式進(jìn)行彈簧動(dòng)態(tài)性能仿真分析[5]。研究彈簧內(nèi)部初始工作氣壓、附加氣室容積和連接管路的直徑三個(gè)主要因素對(duì)彈簧動(dòng)態(tài)性能的影響，每次仿真改變一個(gè)因素變量，研究單因素對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響[6]。

改變初始?xì)鈮褐?，分別設(shè)0.1MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa，保持連接管路直徑為12mm，附加氣室容積為10L，忽略節(jié)流孔及阻尼特性，研究不同初始?xì)鈮簩?duì)彈簧動(dòng)剛度的影響。

利用有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算，得出彈簧下底端的動(dòng)載荷隨位移的變化量，通過(guò)數(shù)據(jù)處理可得到彈簧動(dòng)剛度。不同初始?xì)鈮簩?duì)彈簧動(dòng)剛度的影響曲線如圖1 所示。

圖1 不同初始?xì)鈮簩?duì)彈簧動(dòng)剛度的影響

由圖1 可知，在低于6Hz 的低頻段，不同初始?xì)鈮合碌膭?dòng)剛度均沿著激振頻率的增加而略有上升；在高于6Hz 的高頻段，由于激振頻率過(guò)高，彈簧工作時(shí)容易產(chǎn)生共振現(xiàn)象，動(dòng)態(tài)性能表現(xiàn)不穩(wěn)定，初始?xì)鈮簩?duì)彈簧剛度影響變化不規(guī)則。

采用上述類似的方法，研究不同附加氣室容積和連接管路直徑對(duì)彈簧動(dòng)剛度的影響，分別如圖2 和圖3 所示。

由圖2 可知，在低于6Hz 的低頻段，四條曲線變化趨勢(shì)較為平緩，達(dá)到最大峰值后，在高于6Hz 的高頻段，彈簧動(dòng)剛度曲線略有下降，且變化混亂不規(guī)則，這也是系統(tǒng)產(chǎn)生共振導(dǎo)致的。由圖3 可知，在1Hz 左右的較低頻率范圍內(nèi)，不同管徑下的動(dòng)剛度值差異不大。在低于6Hz 的低

3 優(yōu)化分析

利用ISIGHT 軟件中的DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)變量參數(shù)的矩陣試驗(yàn)[7]，選取初始工作氣壓、附加氣室容積和連接管路直徑為優(yōu)化參數(shù)，具體的參數(shù)取值范圍如表1所示。

表1 優(yōu)化參數(shù)及變化范圍

優(yōu)化過(guò)程中使用的是多島遺傳算法，屬于遺傳算法的一種。在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用并行分布式計(jì)算，效率更高，獲取最優(yōu)結(jié)果的可能性越高。在優(yōu)化過(guò)程中，以彈簧最小動(dòng)剛度為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化過(guò)程中共重復(fù)計(jì)算1000次，在已計(jì)算結(jié)果中尋求最優(yōu)解，將優(yōu)化后所獲取的最優(yōu)解和相對(duì)應(yīng)的因素值與初始值對(duì)應(yīng)下的因素值進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如表2 所示。

表2 參數(shù)值優(yōu)化前后對(duì)比

在有限次的優(yōu)化過(guò)程中，存在一個(gè)最優(yōu)解，經(jīng)過(guò)與初始數(shù)據(jù)對(duì)比，動(dòng)剛度值降低了11.5%，其中初始?xì)鈮褐德杂袦p低，增長(zhǎng)幅度較大的則是附加氣室容積和管徑。

4 結(jié)束語(yǔ)

彈簧工作時(shí)大多受到外界激振，低頻段的不同因素對(duì)彈簧剛度的影響較明顯，當(dāng)達(dá)到彈簧共振頻率時(shí)，即在高于6Hz 的高頻段，不同因素對(duì)動(dòng)剛度的影響變化不規(guī)則。在彈簧動(dòng)態(tài)仿真分析中，彈簧動(dòng)剛度與初始?xì)鈮撼烧嚓P(guān)，與附加氣室容積和連接管路直徑成負(fù)相關(guān)。

優(yōu)化時(shí)以最小動(dòng)剛度為優(yōu)化目標(biāo)，采用多島遺傳算法優(yōu)化后的動(dòng)剛度值有所降低，且各因素的變化趨勢(shì)與其影響機(jī)理相同，可利用優(yōu)化算法獲取相應(yīng)的動(dòng)剛度。