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空氣彈簧剛度基于有限元的空氣彈簧垂直剛度.性分析

作為重要的汽車彈性元件，空氣彈簧采用夾有簾線的橡膠氣囊內壓縮空氣的反力作為彈性恢復力，在載重車輛和高速客車中有著廣泛的應用。在空氣彈簧的相關.性中，垂直剛度.性對汽車整車性能的影響.別顯著[1-3]。空氣彈簧橡膠氣囊的初始壓力、簾線角和簾線層數是空氣彈簧的三個重要參數，對空氣彈簧的剛度.性有著重要的影響[4]。本文以某品牌的商用車自由膜式空氣彈簧為例，通過ADINA非線性有限元分析軟件對其靜態垂直剛度.性進行了仿真分析，并對影響空氣彈簧垂直剛度.性的各種主要參數進行了詳細分析，得到一些有意義的結論。

1 空氣彈簧的垂直剛度.性[5, 6]

空氣彈簧的支承和彈性作用的大小主要取決 于空氣彈簧內的壓縮氣體密度，因此空氣彈簧的承載力F可表示為：

F=Pi Ae (1)

通過承載力F對彈簧行程s求導可得空氣彈簧剛度k。

式中： k為空氣彈簧剛度;pi為空氣彈簧內氣體工作壓力; po為大氣壓力;n為氣體的多變指數;Ae為空氣彈簧有效承壓面積; V為空氣體積。

由公式(5)可知，影響空氣彈簧垂直剛度.性的主要因素有空氣彈簧的初始壓力、分子運動過程、有效承壓面積、底座的形狀、輔助氣室等。

2 FEA分析方法

本文采用ADINA軟件進行有限元分析，ADINA作為通用的模擬計算工具，能分析應力、位移等復雜的非線性問題。大量的復雜問題都可以通過選項塊的不同組合模擬出來[7]。

采用ADINA進行有限元分析的基本步驟如下：

步驟1：使用前處理系統ADINA-AUI 定義空氣彈簧有限元模型;

步驟2：應用ADINA，ADINA-T，ADINA-F等求解器對空氣彈簧模型實施數值計算;

步驟3：運行ADINA-AUI 對上述計算結果進行處理。

3 基于有限元的垂直剛度.性分析

3.1 有限元模型的建立

.先，建立空氣彈簧整體三維幾何模型，對材料.性定義、單元組定義、網格劃分、接觸的定義、約束的定義、載荷的定義以及定義載荷的時間函數、時間步和步長，.后得到膜式空氣彈簧的靜.性有限元模型，如圖1所示。

3.2.1 不同初始壓力下的空氣彈簧垂直剛度.性

對自由膜式空氣彈簧的模擬工況為：空氣彈簧壓縮到-10mm位移時，對有限元模型腔內分別設定0.3MPa和0.4MPa的初始壓力，研究不同初始壓力對空氣彈簧垂直剛度.性的影響，應力和應變的云圖如圖2圖5所示。