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车用膜式空气弹簧囊体帘线受力有限元分析

2016/1/29    来源:互联网    作者:周孔亢  吴琳琪  安登峰  陈方  袁春元  王国林      
关键字:汽车  空气弹簧  帘线受力  有限元分析  hypermesh  
文章针对特定空气弹簧的断面轮廓形状和帘线结构形式建立了空气弹簧结构计算的有限元模型,着重分析了帘线角、初始气压及下沉量对空气弹簧充气、压缩状态气囊囊体帘线受力的基本特征。

    空气弹簧因其变刚度、低自振频率、高度可控及良好的高频振动吸收和隔声性能等优点,成为车辆悬架广泛采用的非线性弹性元件和减振元件。空气弹簧囊体是由承载骨架材料(帘线)和橡胶组成的十分复杂的柔性结构(如图1),其断面形状设计理论主要是根据帘线受力与轮廓形状的关系而建立的,由此可见分析帘线力在空气弹簧结构设计中的重要作用。然而目前国内外文献中关于空气弹簧帘线受力特征的研究报道却较为少见。

    影响帘线受力的因素很多,如加载条件、气囊断面的形状和尺寸、帘线角、帘线层数等等。由于空气弹簧性能分析过程是包含几何、材料、边界三重强非线性问题,传统理论方法计算比较困难,所以作者用ABAQUS软件对囊体帘线受力的基本特征进行初步研究,该软件在空气弹簧气体压力的定义上有别于其他非线性有限元软件,如MARC非线性有限元软件。其区别在于ABAQUS软件具有符合流体静力学条件的充腔流体单元,该流体单元可以使结构变形和作用在边界上的流体压力之间相互耦合,能够真实地再现空气弹簧在振动过程中腔内气体压力的变化。然而,其他有限元软件在气体压力定义时,只能对空气弹簧腔内壁施加定值压力,该压力在空气弹簧工作过程中是不变的,与实际情况不符。

空气弹簧典型气囊结构

图1 空气弹簧典型气囊结构

1 空气弹簧有限元建模

    作者分析研究的空气弹簧是某型膜式空气弹簧,基本参数如表1所示。

表1 膜式空气弹簧基本参数

膜式空气弹簧基本参数

    1.1 空气弹簧气囊

    1.1.1 橡胶材料力学特性

    假设橡胶材料为各向异性、不可压缩的超弹性材料,不考虑橡胶的粘弹性。其力学特性可用Mooney-Rivlin模型应变能密度函数描述:

函数描述

    式中:C10,C01和D是与温度有关的材料参数;I1,I2是第一和第二偏应变量,I1212223,I2-21-22-23,其中λ1,λ2和λ3为三个拉伸方向的拉伸系数;Jel为弹性体积比。

    1.1.2 帘线层结构有限元模拟

    帘线是橡胶气囊的主要承载部件,材料为小变形的尼龙或者聚脂。由于帘线与橡胶基体拉伸模量等物理性能不等,使得帘线层具有复杂的力学各向异性和非线性特征。非线性有限元软件ABAQUS提供了加强筋结构的Rebar单元,能够比较合理地模拟帘线复合材料特性。在空气弹簧帘线层建模中,采用2层反对称结构,帘线力取值路径沿着(图2a)所示箭头方向。按照帘线与垂直方向夹角β(图2b),帘线横截面积,帘线间距L(图2b),帘线层与杂交轴对称单元中性面的偏置以上4个特性建立了帘线层。作者采用线单元模拟Rebar。

帘线特性图

图2 帘线特性图

责任编辑:程玥
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