車用膜式空氣彈簧囊體簾線受力有限元分析

    空氣彈簧因其變剛度、低自振頻率、高度可控及良好的高頻振動吸收和隔聲性能等優(yōu)點，成為車輛懸架廣泛采用的非線性彈性元件和減振元件?？諝鈴椈赡殷w是由承載骨架材料(簾線)和橡膠組成的十分復(fù)雜的柔性結(jié)構(gòu)(如圖1)，其斷面形狀設(shè)計理論主要是根據(jù)簾線受力與輪廓形狀的關(guān)系而建立的，由此可見分析簾線力在空氣彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要作用。然而目前國內(nèi)外文獻中關(guān)于空氣彈簧簾線受力特征的研究報道卻較為少見。

    影響簾線受力的因素很多，如加載條件、氣囊斷面的形狀和尺寸、簾線角、簾線層數(shù)等等。由于空氣彈簧性能分析過程是包含幾何、材料、邊界三重強非線性問題，傳統(tǒng)理論方法計算比較困難，所以作者用ABAQUS軟件對囊體簾線受力的基本特征進行初步研究，該軟件在空氣彈簧氣體壓力的定義上有別于其他非線性有限元軟件，如MARC非線性有限元軟件。其區(qū)別在于ABAQUS軟件具有符合流體靜力學(xué)條件的充腔流體單元，該流體單元可以使結(jié)構(gòu)變形和作用在邊界上的流體壓力之間相互耦合，能夠真實地再現(xiàn)空氣彈簧在振動過程中腔內(nèi)氣體壓力的變化。然而，其他有限元軟件在氣體壓力定義時，只能對空氣彈簧腔內(nèi)壁施加定值壓力，該壓力在空氣彈簧工作過程中是不變的，與實際情況不符。

圖1 空氣彈簧典型氣囊結(jié)構(gòu)

1 空氣彈簧有限元建模

    作者分析研究的空氣彈簧是某型膜式空氣彈簧，基本參數(shù)如表1所示。

表1 膜式空氣彈簧基本參數(shù)

    1.1 空氣彈簧氣囊

    1.1.1 橡膠材料力學(xué)特性

    假設(shè)橡膠材料為各向異性、不可壓縮的超彈性材料，不考慮橡膠的粘彈性。其力學(xué)特性可用Mooney-Rivlin模型應(yīng)變能密度函數(shù)描述：

    式中：C₁₀，C₀₁和D是與溫度有關(guān)的材料參數(shù)；I₁，I₂是第一和第二偏應(yīng)變量，I₁=λ²₁+λ²₂+λ²₃，I₂=λ^-2₁+λ^-2₂+λ^-2₃，其中λ₁，λ₂和λ₃為三個拉伸方向的拉伸系數(shù)；J^el為彈性體積比。

    1.1.2 簾線層結(jié)構(gòu)有限元模擬

    簾線是橡膠氣囊的主要承載部件，材料為小變形的尼龍或者聚脂。由于簾線與橡膠基體拉伸模量等物理性能不等，使得簾線層具有復(fù)雜的力學(xué)各向異性和非線性特征。非線性有限元軟件ABAQUS提供了加強筋結(jié)構(gòu)的Rebar單元，能夠比較合理地模擬簾線復(fù)合材料特性。在空氣彈簧簾線層建模中，采用2層反對稱結(jié)構(gòu)，簾線力取值路徑沿著(圖2a)所示箭頭方向。按照簾線與垂直方向夾角β(圖2b)，簾線橫截面積，簾線間距L(圖2b)，簾線層與雜交軸對稱單元中性面的偏置以上4個特性建立了簾線層。作者采用線單元模擬Rebar。

    1.2 接觸

    空氣彈簧在工作過程中橡膠氣囊與活塞和上蓋板發(fā)生接觸，接觸問題屬于帶約束條件的泛函極值問題。ABAQUS中對于變形體與接觸體的接觸問題采用拉格朗日法。假定橡膠氣囊與上蓋板和活塞無滑移接觸，橡膠氣囊為變形體，上蓋板和底部活塞為接觸體(定義為剛性體)。

    1.3 加載

    將分析過程分為充氣和加載，首先在氣囊內(nèi)壁施加氣壓，完成后對上蓋板施加垂直位移載荷。由于空氣彈簧的幾何條件、載荷條件和簾線的鋪設(shè)形式均是軸對稱的，因此可以用平面軸對稱有限元模型求解，利用軸對稱單元來模擬橡膠。

    為了提高計算結(jié)果的精確度，靜載荷下的結(jié)構(gòu)計算必須用三維模型。根據(jù)表1參數(shù)首先建立空氣彈簧縱向截面二維有限元模型如圖3a所示，采用Hypermesh軟件優(yōu)化處理截面網(wǎng)格，利用上述單元按照不同材料層離散該截面。然后旋轉(zhuǎn)生成三維模型如圖3b所示。

圖3 有限元模型

2 空氣彈簧的剛度變化特征

    此空氣彈簧在不同初始氣壓下的剛度曲線如圖4所示，具有空氣彈簧非線性彈性特征。隨著初始氣壓的增大，空氣彈簧剛度增大。從圖中可以看出，此氣囊適應(yīng)載荷范圍較大。

3 囊體簾線受力的計算結(jié)果和分析

    空氣彈簧各部分簾線受力可表示為

    其中：F表示單根簾線所受軸向力；β表示簾線角；p表示氣囊內(nèi)壓；S表示垂直下沉量。分別改變這三個參數(shù)，詳細地分析空氣彈簧囊體簾線受力的變化規(guī)律。

    (1)β= 40°，47°，54°；p=0.3MPa；S=0.23m(方向向下)條件下建立的3個模型進行計算，得出B0，B1簾線力分別在充氣和壓縮狀態(tài)下的變化特征如圖5所示。

    比較分析：

    ①充氣狀態(tài)，3個模型的B0，B1層簾線受力總體趨勢呈對稱布置，在氣囊體中部達到最大值。隨著簾線角的增大，在氣囊相同部位的簾線力增加。B0，B1的簾線受力情況基本相同，數(shù)值變化不大，分布形態(tài)相似。

    ②壓縮狀態(tài)，B0，B1在氣囊中部達到最大值。隨著簾線角的增大，在氣囊相同部位的簾線力增加，增幅可達8N左右。由于氣囊與上蓋板和底部活塞相接觸，在沿簾線力取值路徑約0.06m和0.40m處產(chǎn)生局部彎曲變形，使得此部分簾線力數(shù)值產(chǎn)生波動，如圖5c，5d所示。

    ③比較B0，B1在充氣和壓縮狀態(tài)簾線力可以發(fā)現(xiàn)，簾線角的改變對充氣狀態(tài)下的簾線力影響不大，但是卻對壓縮狀態(tài)下的簾線受力發(fā)生較大影響，因此可以通過調(diào)節(jié)簾線角改變氣囊中部簾線在承擔(dān)壓縮受載時的作用。

圖5 簾線角改變條件下簾線力分布圖

    (2)β= 54°，p=0.1，0.2，0.3MPa，S=0.23m(方向向下)條件下建立3個模型進行計算，得出B0，B1簾線力分別在充氣和壓縮狀態(tài)下的變化特征，如圖6所示。

圖6 初始氣壓條件改變下簾線力分布圖

    比較分析：

    ①充氣狀態(tài)，3個模型的B0，B1層簾線受力總體趨勢呈對稱布置，在氣囊體中部達到最大值。隨著初始氣壓的增大，B0，B1在氣囊相同部位的簾線力增加，且數(shù)值增加較大，增幅可達16N左右。

    ②壓縮狀態(tài)，B0，B1在氣囊中部達到最大值。隨著初始氣壓的增大，在氣囊相同部位的簾線力增加，數(shù)值變化較大，增幅可達20N左右。同樣由于氣囊與上蓋板和底部活塞相接觸，在沿簾線力取值路徑0.06m和0.40m左右處產(chǎn)生較大局部彎曲變形，使得此部分簾線力數(shù)值產(chǎn)生波動，如圖6c，6d所示。

    ③比較B0，B1在充氣和壓縮狀態(tài)簾線力可以發(fā)現(xiàn)，初始氣壓的改變對充氣狀態(tài)和壓縮狀態(tài)下的簾線受力發(fā)生較大影響，因此可以通過調(diào)節(jié)初始氣壓，明顯地改變氣囊中部簾線在承擔(dān)充氣或壓縮過程中受載時的作用。

    (3)β= 54°，p=0.3MPa，S=0.23，0.20，0.16m(方向向下)條件下建立3個模型進行計算，得出B0，B1簾線力在壓縮狀態(tài)下的變化特征如圖7所示。

圖7 下沉量改變條件下簾線力分布圖

    1)充氣狀態(tài)時簾線力分布情況：由于改變的是下沉量，不影響充氣狀態(tài)的簾線力，因此參考圖5a中54°充氣狀態(tài)曲線。

    2)比較分析：①壓縮狀態(tài)，在氣囊中部達到最大值。隨著下沉量的增加，氣囊相同部位簾線力增加，且數(shù)值增加較大，增幅可達8N左右。由于氣囊與上蓋板和底部活塞相接觸，在沿簾線力取值路徑約0.06m和0.40m處產(chǎn)生較大局部彎曲變形，使得此部分簾線力數(shù)值產(chǎn)生波動如圖7所示。

    ②比較B0，B1壓縮狀態(tài)簾線受力可以發(fā)現(xiàn)，下沉量的改變對壓縮狀態(tài)下簾線受力發(fā)生較大影響。因此可以通過調(diào)節(jié)下沉量改變氣囊中部簾線受力情況，滿足工作條件要求。

4 結(jié)論

    計算結(jié)果表明：

    (1)氣囊在充氣狀態(tài)時，其簾線受力情況基本取決于初始氣壓，初始氣壓越大，氣囊相同部位簾線受力越大；簾線角對簾線受力有一定影響，但影響幅值不大，簾線角越大，氣囊相同部位簾線受力越大。

    (2)氣囊在壓縮狀態(tài)時，其簾線力隨初始氣壓、簾線角、下沉量的增大而增大，且影響幅值較大?？梢酝ㄟ^對影響條件的合理調(diào)配，調(diào)整氣囊簾線在承擔(dān)壓力中的作用。

    (3)簾線包裹鋼絲圈部分出現(xiàn)受壓或張力不足情況，但簾線角、初始氣壓、下沉量的變化對此部分簾線力影響不大。