基于ABAQUS的簾線參數(shù)對膜式空氣彈簧橫向特性影響研究_圖文

1、14文 /何鋒蔡永周曹龍?zhí)?貴州大學(xué)機械工程學(xué)院引言空氣彈簧是在柔性密閉容器中充入壓縮空氣,利用空 氣的可壓縮性實現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧。由于具有 變剛度、低自振頻率、高度可控等優(yōu)良的特性,用于車輛 懸架裝置中可以明顯改善車輛的動力性,可減小車輛對路 面的破壞并顯著提高運行舒適性。所以,空氣彈簧在商用 車上得到廣泛應(yīng)用。目前空氣彈簧的生產(chǎn)主要以試驗和經(jīng)驗為依據(jù),在傳 統(tǒng)的空氣彈簧生產(chǎn)過程中,得到簾線參數(shù)對空氣彈簧橫向 特性的影響,需反復(fù)試驗修改試件參數(shù),耗時長,成本 高,且難以得到精確數(shù)據(jù)。本文采用非線性有限元技術(shù), 通過非線性有限元軟件ABAQUS,建立有效的有限元模型, 可方便改變簾線

2、角、簾 線層間距、簾線密度、 簾線層數(shù)等參數(shù),迅速 得到其對空氣彈簧橫向 剛度特性的影響,可縮 短時間,節(jié)約成本,為 空氣彈簧的數(shù)字設(shè)計提 供參考。1 膜式空氣彈簧的 結(jié)構(gòu)膜式空氣彈簧主要 由橡膠氣囊、上蓋板、 活塞底座和緩沖塊等部件組成,如圖1所示。橡膠氣囊一般由內(nèi)覆層、外覆層、簾 線層和成型鋼絲圈硫化而成,內(nèi)覆層主要用于密封;外覆 層除了起密封作用外,還起保護作用;簾線層為空氣彈簧 的受力骨架。2 空氣彈簧有限元模型建立2.1 非線性分析在空氣彈簧的大變形位移中存在橡膠材料非線性等非 線性問題,因此,在空氣彈簧的有限元分析模型中需考慮 非線性問題。橡膠材料非線性采用非線性特性材料來描述空氣

3、彈 簧膠囊和簾線層。膠囊發(fā)生大位移、大變形的幾何非線性,采用大變 形理論對空氣彈簧大變形量進行描述。上蓋板、底座與膠囊的接觸邊界條件非線性,采用 邊界非線性對上蓋板與膠囊的接觸面積變化進行描述。內(nèi)部氣壓變化大,應(yīng)用流體力學(xué)對空氣彈簧內(nèi)部壓 力變化進行描述。 2.2 模型建立本文研究的是貴州宏洋橡膠制品有限公司644N商用車 膜式空氣彈簧,其技術(shù)指標(biāo)如表所示。在模型上定義好材料特性、rebar單元、邊界條件、內(nèi) 部氣壓、分析步和劃分好網(wǎng)格后,在模型上加載荷提交作 業(yè),空氣彈簧發(fā)生垂向位移,其內(nèi)容積變化較大,需要對 其內(nèi)氣體進行恰當(dāng)?shù)哪M。本文用A B A Q U S 中的流體單元來定義空腔并施加

4、空腔的壓力載荷。膠囊橡膠材料使用圖 1 空氣彈簧的結(jié)構(gòu)Q i c h e j i s h u基于A B A Q U S 的簾線參數(shù) 對膜式空氣彈簧橫向特性影響研究2009.4.HEAVYTRUCK重型汽車15Mooney模型,上下蓋板定義為剛體。利用Rebar單元來定 義膠囊的簾線層數(shù)和簾線角。考慮到模型的軸對稱性以及 垂直剛度的軸對稱性,本文的有限元計算模型將空氣彈簧 沿軸向剖開,取一半建立模型?？諝鈴椈傻挠邢拊嬎隳?型如圖2所示。表 644N 基本數(shù)據(jù)圖 2 空氣彈簧有限元計算模型3 空氣彈簧有限元模擬3.1 空氣彈簧囊體模擬空氣彈簧膠囊是由簾線和橡膠硫化而成,根據(jù)簾線的 層數(shù)可將膠囊分

5、為若干鋪層,各鋪層互成一定角度布置, 簾線是主要的承載部件,因而呈現(xiàn)出各向異性的特點。由于橡膠材料是體積模量遠遠大于其彈性模量的各向 同 性 的 不 可 壓 縮 的 超 彈 性 材 料 , 橡 膠 材 料 模 型 采 用 Mooney-Rivlin模型:W =C 10 (I -1-3 +C 01(I -2 -3 式中 W 為應(yīng)變能函數(shù); I 1、 I 2 分別為橡膠材料的第一、第二應(yīng)變不變量; C 10、 C 01材料常數(shù),可通過單軸拉伸試驗獲得。 橡膠材料參數(shù)還可以通過在程序中給出試驗數(shù)據(jù)讓 A B A Q U S 計算材料參數(shù)的方法來定義。 3.2 空氣彈簧接觸模擬空氣彈簧在工作中,上蓋板

6、、底座和膠囊的接觸邊界在發(fā)生變化,在計算中,蓋板和膠囊的接觸定義為殼單元 和剛性曲面的接觸。當(dāng)其與膠囊接觸時摩擦很大,所以假 設(shè)膠囊和蓋板之間的接觸是無相對滑移的。其中上蓋板和 膠囊的接觸是影響整個空氣彈簧橫向和軸向力學(xué)特性的主 要因素。連接應(yīng)用A B A Q U S 多點約束來使空氣彈簧的各個 部件連為一體。從上而下,用ABAQUS的TIE功能,將空氣 彈簧模型上半部的流體單元的重復(fù)節(jié)點和上蓋板剛性曲面 的參考點固定在一起;用A B A Q U S 的B E A M 功能將膠囊上 沿的節(jié)點和上蓋板剛性曲面的參考點連接在一起,將膠囊 下沿以及底座的上沿節(jié)點也通過B E A M 關(guān)鍵字與底座剛性

7、 曲面的參考節(jié)點連接起來,這樣膠囊就與上蓋板和底座聯(lián) 系起來了。3.3 空氣彈簧氣體模擬實際工作情況下,空氣彈簧上面載荷的變化改變膠囊 的形狀,從而膠囊內(nèi)氣體的容積發(fā)生變化,氣體的壓力就 發(fā)生變化,實現(xiàn)支撐力的載荷的動態(tài)平衡。A B A Q U S 提供 的兩種氣體單元:三維三節(jié)點 (A B A Q U S 定義為F 3D 3單元 類型 和三維四節(jié)點 (A B A Q U S 定義為F 3D 4單元類型 氣體 單元 (節(jié)點的個數(shù)不包括參考節(jié)點 。4變簾線參數(shù)對空氣彈簧橫向特性的影響簾線層作為空氣彈簧的主要承載部件,這里僅考慮空氣 彈簧膠囊簾線層的簾線角、簾線密度、簾線層間距、簾線 層數(shù)的影響。

8、 4.1簾線角的影響在空氣彈簧有限元模型中,定義Rebar與空氣彈簧膠囊 子午線夾角為簾線角。由圖3可知,在相同位移下,空氣彈 簧的橫向剛度將隨簾線角的增大而增大。圖 3 不同簾線角時空氣彈簧橫向位移載荷曲線Q i c h e j i s h u164.2 簾線層間距的影響定義相鄰兩簾線層間距離為簾線層間距。根據(jù)圖4,在 相同位移內(nèi),隨著簾線層間距的增加,空氣彈簧橫向剛度 減小。圖 4 不同簾線層間距時空氣彈簧橫向位移載荷曲線4.3 簾線層數(shù)的影響為了滿足各向異性的要求,膠囊至少需要由4層不同方 向的纖維構(gòu)成。根據(jù)圖5可以得出,簾線層數(shù)對橫向剛度的 影響較大。隨著簾線層數(shù)增多,空氣彈簧的橫向剛度增大 且變化較明顯。圖 5 不同簾線層數(shù)時空氣彈簧橫向位移載荷曲線 4.4 簾線密度的影響圖6表示了不同簾線密度時,空氣彈簧橫向特性曲線。 從圖6可知,在一定范圍以內(nèi),簾線密度對空氣彈簧的橫向 剛度影響不大。圖 6 不同簾線密度時空氣彈簧橫向位移載荷曲線5 結(jié)論通過運用C A E 技術(shù),借助A B A Q U S 非線性有限元軟 件,對影響空氣彈簧橫向特性的簾線參數(shù)進行了仿真模 擬,打破了傳