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空氣彈簧懸架具有質(zhì)量輕、剛度可變、車身高度便于調(diào)節(jié)和緩沖性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于對(duì)乘坐舒適性要求較高的客車、軌道車輛和部分高級(jí)轎車上，也有少數(shù)重型卡車和特種車輛為了保持良好的行駛平順性能和道路友好性能而采用空氣彈簧懸掛。
但是空氣彈簧自身的剛度特性卻很難精確計(jì)算，這給懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了很大困難，主要是因?yàn)榭諝鈴椈晒ぷ鲿r(shí)涉及到氣體壓縮、橡膠氣囊變形和接觸等諸多非線性環(huán)節(jié)。近年來的研究表明，有限元分析是獲得空氣彈簧彈性特性的重要方法之一。因此以某款車用膜式空氣彈簧為研究對(duì)象，通過有限元的方法分析其彈性特性。
膜式空氣彈簧主要由蓋板、活塞、橡膠膜及密封空氣組成。當(dāng)空氣彈簧承受垂向載荷時(shí)，密封的氣體壓力增加，橡膠膜發(fā)生變形，從而起到緩沖振動(dòng)的作用。因此彈性特性是空氣彈簧的最重要參數(shù)之一，直接影響其緩沖性能。空氣彈簧的彈性特性可以從氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)計(jì)算。
空氣彈簧有限元模型是一個(gè)多場(chǎng)耦合的復(fù)雜模型，需要對(duì)具有超彈性且內(nèi)含簾布層的橡膠膜、橡膠膜與上蓋板及活塞的相互接觸、氣囊中密封的氣體進(jìn)行模擬，而且由于膜式空氣彈簧的大行程，要求模型發(fā)生大變形時(shí)仍具有良好的穩(wěn)定性。
橡膠類材料的特點(diǎn)是可以發(fā)生很大變形而不會(huì)損壞，且在變形時(shí)材料體積幾乎不變，一般采用超彈性單元來模擬。橡膠的本構(gòu)關(guān)系是非線性的，因此其力學(xué)性能用彈性勢(shì)能函數(shù)來描述更為方便。橡膠的彈性勢(shì)能函數(shù)有多種表達(dá)式，有限元分析時(shí)常采用二參數(shù)的Mooney-Rivlin模型描述材料的應(yīng)變勢(shì)能。
在ABAQUS中可以通過流體腔來模擬空氣彈簧中封閉的氣體。流體腔是一個(gè)密閉的空腔，其外表面與邊界上的單元共用節(jié)點(diǎn)。還需要為流體腔定義一個(gè)參考節(jié)點(diǎn)，用以設(shè)定流體腔內(nèi)流體的參數(shù)，同時(shí)該參考節(jié)點(diǎn)還與邊界上的面單元組成體單元，用以計(jì)算流體的體積。在外力作用下空氣彈簧發(fā)生垂向變形，流體腔內(nèi)的氣體因受壓而能量增加。外力在垂向位移上所做的外虛功應(yīng)等于空氣彈簧總成的虛功增量，包括氣囊本體的虛功增量和氣體的虛功增量。
高強(qiáng)度簾線承受橡膠膜變形時(shí)的絕大部分載荷，因此簾布層的幾何參數(shù)直接決定著空氣彈簧的變形量和承載能力，在ABAQUS中常常采用Rebar單元來模擬在橡膠膜中的簾布層。在定義橡膠膜超彈性單元屬性時(shí)，可嵌入Rebar層形成復(fù)合材料，當(dāng)橡膠膜受載變形時(shí)，Rebar單元被拉伸而產(chǎn)生應(yīng)力，阻止橡膠膜變形以起到增強(qiáng)橡膠膜的作用。
空氣彈簧的結(jié)構(gòu)特征比較簡(jiǎn)單, 可用AutoCAD分別繪制上蓋板、氣囊和活塞的截面母線，導(dǎo)入ABAQUS中通過回轉(zhuǎn)的方法建立三維模型。
橡膠氣囊為薄壁件，因此用四節(jié)點(diǎn)殼單元（S4R）模擬。將氣囊分成三部分，（即上子口與上蓋板密封處）、氣囊本體和下子口（與下部活塞密封處），氣囊本體可用回轉(zhuǎn)的方式劃分網(wǎng)格，而上下子口則采用自由方式劃分。上蓋板和活塞與氣囊相比硬很多，因此選用解析剛體模擬，故無需劃分網(wǎng)格。
真實(shí)的氣囊的上下子口處都是開放的，與上蓋板、活塞配合后封閉氣體。但在有限元模型中，為了能夠采用流體腔模擬密封的氣體而將其封閉，所以這兩部分材料是不應(yīng)該發(fā)生變形的，因此采用tie方式將其分別與上蓋板、活塞接觸粘結(jié)。同時(shí)定義氣囊的外表面與活塞外表面接觸，以保證在氣囊變形過程中始終與活塞貼合。
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