基于有限元仿真的鐵道車輛空氣彈簧限界三維校核

張 波，田清帥，劉萬強

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

列車出入庫或通過車場線時經(jīng)常會通過小半徑曲線，此時往往會伴隨空氣彈簧最大水平位移的出現(xiàn)，這是空氣彈簧最容易與轉向架相關結構發(fā)生干涉的情形。一旦發(fā)生干涉，空氣彈簧氣囊將有可能被刺破，進而對列車運行安全產(chǎn)生極為不利的影響。所以，對空氣彈簧進行水平大位移限界校核是其設計開發(fā)過程中的一項必要工作。對于新產(chǎn)品而言，由于缺乏既有產(chǎn)品的實際限界數(shù)據(jù)作參考，在設計初期只能借助有限元仿真軟件對方案進行水平大位移限界校核。本文提出一種方法，可以將有限元仿真獲得的空氣彈簧極端變形三維不規(guī)則模型，直接導入到三維建模軟件中，與轉向架模型進行裝配，直觀地觀察空氣彈簧是否與轉向架產(chǎn)生干涉。

由于有限元仿真模型無法直接導入三維建模軟件，如何找到一種途徑能將有限元仿真結果轉化為三維建模軟件可直接讀取的形式，是本文研究的重點。本文將借助有限元前處理軟件實現(xiàn)該過程，具體實現(xiàn)路徑：有限元仿真→節(jié)點坐標提取，逆向生成通用格式幾何外形→三維組裝。

1 極端變形工況有限元仿真模擬

1.1 研究對象及工況要求

本文所選研究對象為中車青島四方車輛研究所有限公司生產(chǎn)的某型空氣彈簧，其主要由上蓋、扣環(huán)、氣囊、支承座及橡膠堆組成。氣囊為層狀復合材料結構，由內層橡膠、簾布層、外層橡膠和鋼絲圈硫化而成。該空氣彈簧基本結構見圖1，極端變形仿真基本參數(shù)見表1。

1.上蓋；2.扣環(huán)；3.支承座；4.氣囊；5.橡膠堆。圖1 某型空氣彈簧結構圖

表1 空氣彈簧極端變形仿真基本參數(shù)

1.2 仿真模擬

首先在有限元仿真軟件中建立空氣彈簧軸對稱模型[1-2]。橡膠材料設置為各向同性不可壓縮的超彈性材料，采用Mooney-Rivlin模型表征其本構關系，并用Rebar單元定義簾線。對空氣彈簧局部結構進行簡化，將上蓋、橡膠堆底座設為剛體。氣囊與上蓋、氣囊與支承座的配合位置設置接觸關系。將氣囊描述為以橡膠為基體、簾線為加強層的軸對稱單元，并通過定義簾線在橡膠基體中的位置、密度、截面積以及簾線層間的角度來確定氣囊材料的構成關系。采用約束關系將簾線嵌入到氣囊中，并在氣囊內部建立流體空腔模擬充氣過程。在無水平位移時的空氣彈簧軸對稱模型如圖2所示。

圖2 空氣彈簧軸對稱模型

軸對稱模型仿真完成后，通過運行命令流的方式將其旋轉成為三維模型，按照表1中的參數(shù)，施加相應的載荷及位移約束，仿真模擬其極端變形工況。空氣彈簧三維模型極端變形仿真結果如圖3所示。

圖3 空氣彈簧三維模型極端變形仿真結果

2 節(jié)點坐標提取，逆向生成幾何外形

將有限元結果轉化成三維建模軟件可直接讀取的形式，需要借助有限元前處理軟件或具有該有限元前處理功能的軟件實現(xiàn)。

2.1 實現(xiàn)方法

有限元仿真軟件與有限元前處理軟件之間通常有進行數(shù)據(jù)交換的接口，利用該接口將有限元仿真模型導入到有限元前處理軟件中(圖4)，然后利用有限元前處理功能提取變形后的節(jié)點坐標，逆向生成通用格式的幾何外形。

具體實現(xiàn)過程為：將目標載荷步的有限元仿真結果文件導入到有限元前處理軟件中，提取變形后的節(jié)點坐標，逆向生成通用格式的幾何外形[3](如IGES格式)。

2.2 橡膠件變形后的幾何輪廓提取

空氣彈簧中的氣囊與橡膠堆在極端變形仿真過程中會產(chǎn)生大變形。按照2.1節(jié)所述方法，借助于有限元前處理功能，逆向生成的氣囊與橡膠堆極端變形后的幾何輪廓如圖5所示。因本文只研究模型的限界，為簡便起見，只導出橡膠結構的最外側幾何表面。

圖5 提取出的氣囊及橡膠堆極端變形后的幾何輪廓

2.3 金屬件幾何外形獲取

空氣彈簧中的金屬件，如上蓋、扣環(huán)、支承座和橡膠堆底座等結構，在極端變形仿真過程中幾乎不發(fā)生變形，可近似為剛體。這些部件外形無需從有限元仿真模型中提取，直接采用三維建模軟件建模即可。

3 三維建模

前面所獲取的幾何模型包含了空氣彈簧的所有構成部件，在三維建模軟件中按照對應幾何關系進行裝配，便可以獲得空氣彈簧極端變形后的三維模型，如圖6所示。

圖6 空氣彈簧極端變形后的三維模型

4 三維限界校核及試驗驗證

4.1 三維限界校核

極端變形后的空氣彈簧模型可直接在三維建模軟件中與轉向架進行裝配，直觀地從各視角校核該空氣彈簧限界是否滿足要求，裝配后的模型如圖7所示。

圖7 極端變形后的空氣彈簧與轉向架裝配圖

4.2 試驗驗證

將實際產(chǎn)品的極端變形試驗結果與仿真結果進行對比，結果見表2。從表2中可以看出，仿真結果與試驗結果吻合良好。

表2 極端變形試驗結果與仿真結果對比 mm

5 結束語

本文提出了一種鐵道車輛空氣彈簧極端變形限界校核方法，可以將有限元仿真得到的空氣彈簧極端變形三維模型直接導入到三維建模軟件中與轉向架進行裝配，實現(xiàn)直觀的三維限界校核。該方法在產(chǎn)品開發(fā)初期，對于判斷方案的可行性，提高產(chǎn)品研發(fā)成功率和研發(fā)效率具有指導意義。