基于ABAQUS 和ISIGHT 的帶附加氣室空氣彈簧動剛度特性研究

高鵬堂

武威職業學院，甘肅 武威 733000

空氣懸架是一種主動懸架，具有振動頻率低、剛度變化大、抗沖擊性能好等特點?？諝鈶壹芟到y的核心部件由一個氣動彈簧組成，其中應用最為廣泛的是帶附加氣室空氣彈簧系統中更大的氣室容積配合智能控制策略，可以讓空氣彈簧具有更寬的剛度變化范圍，能發揮出更加優越的性能。文章在帶附加氣室空氣懸架的基礎上，以改善空氣彈簧的動剛度為主要目標，對空氣彈簧結構展開有限元仿真分析，通過分析不同結構參數對系統性能的影響，為實現改進空氣彈簧系統的性能提供必要的理論和技術支持。

1 仿真模型建立

利用ABAQUS 軟件實現某帶附加氣室的膜式空氣彈簧有限元模型建立。首先，在單元選擇上，采用與ABAQUS 單元S4R 相對應的四節點殼單元對橡膠氣囊進行建模，采用四個節點（F3D4）對氣囊壁面進行模擬，理想狀態下的壓縮氣體與固體發生耦合現象，故采用固體性質的靜態流體單元[1-2]。

其次，網格劃分。氣囊材料在受載時其形變和位移呈非線性，因此應對氣囊材料進行詳細的網格劃分，在氣囊與剛性體接觸的部分同樣作出類似劃分，而上、下蓋板的剛體部分可以做簡要處理[3]。

最后，邊界和接觸條件設置。上、下蓋板預先預設定為殼單元，通過Constraints 的剛體約束（Rigid）設置為剛體。對于上、下蓋板與氣囊材料的貼合接觸部位，則采用綁定約束（Tie）對接觸部位的點進行約束，氣囊是主要的封閉曲面，表面的法線方向必須指向氣腔內部[4]。連接管路的定義和建模采用具有8 自由度的二維二節點單元（F2D2），利用節點位置確定主副氣室之間的位置關系，模擬實現兩氣室之間的氣體流動。

2 動態分析

采用ABAQUS 中的Explicit 模式進行彈簧動態性能仿真分析[5]。研究彈簧內部初始工作氣壓、附加氣室容積和連接管路的直徑三個主要因素對彈簧動態性能的影響，每次仿真改變一個因素變量，研究單因素對動態性能的影響[6]。

改變初始氣壓值，分別設0.1MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa，保持連接管路直徑為12mm，附加氣室容積為10L，忽略節流孔及阻尼特性，研究不同初始氣壓對彈簧動剛度的影響。

利用有限元模型進行仿真計算，得出彈簧下底端的動載荷隨位移的變化量，通過數據處理可得到彈簧動剛度。不同初始氣壓對彈簧動剛度的影響曲線如圖1 所示。

圖1 不同初始氣壓對彈簧動剛度的影響

由圖1 可知，在低于6Hz 的低頻段，不同初始氣壓下的動剛度均沿著激振頻率的增加而略有上升；在高于6Hz 的高頻段，由于激振頻率過高，彈簧工作時容易產生共振現象，動態性能表現不穩定，初始氣壓對彈簧剛度影響變化不規則。

采用上述類似的方法，研究不同附加氣室容積和連接管路直徑對彈簧動剛度的影響，分別如圖2 和圖3 所示。

由圖2 可知，在低于6Hz 的低頻段，四條曲線變化趨勢較為平緩，達到最大峰值后，在高于6Hz 的高頻段，彈簧動剛度曲線略有下降，且變化混亂不規則，這也是系統產生共振導致的。由圖3 可知，在1Hz 左右的較低頻率范圍內，不同管徑下的動剛度值差異不大。在低于6Hz 的低

3 優化分析

利用ISIGHT 軟件中的DOE 試驗設計模塊進行設計變量參數的矩陣試驗[7]，選取初始工作氣壓、附加氣室容積和連接管路直徑為優化參數，具體的參數取值范圍如表1所示。

表1 優化參數及變化范圍

優化過程中使用的是多島遺傳算法，屬于遺傳算法的一種。在原有基礎上進行改進，采用并行分布式計算，效率更高，獲取最優結果的可能性越高。在優化過程中，以彈簧最小動剛度為優化目標，優化過程中共重復計算1000次，在已計算結果中尋求最優解，將優化后所獲取的最優解和相對應的因素值與初始值對應下的因素值進行對比分析，結果如表2 所示。

表2 參數值優化前后對比

在有限次的優化過程中，存在一個最優解，經過與初始數據對比，動剛度值降低了11.5%，其中初始氣壓值略有減低，增長幅度較大的則是附加氣室容積和管徑。

4 結束語

彈簧工作時大多受到外界激振，低頻段的不同因素對彈簧剛度的影響較明顯，當達到彈簧共振頻率時，即在高于6Hz 的高頻段，不同因素對動剛度的影響變化不規則。在彈簧動態仿真分析中，彈簧動剛度與初始氣壓成正相關，與附加氣室容積和連接管路直徑成負相關。

優化時以最小動剛度為優化目標，采用多島遺傳算法優化后的動剛度值有所降低，且各因素的變化趨勢與其影響機理相同，可利用優化算法獲取相應的動剛度。