基于ABAQUS 和ISIGHT 的带附加气室空气弹簧动刚度特性研究

高鹏堂

武威职业学院，甘肃 武威 733000

空气悬架是一种主动悬架，具有振动频率低、刚度变化大、抗冲击性能好等特点。空气悬架系统的核心部件由一个气动弹簧组成，其中应用最为广泛的是带附加气室空气弹簧系统中更大的气室容积配合智能控制策略，可以让空气弹簧具有更宽的刚度变化范围，能发挥出更加优越的性能。文章在带附加气室空气悬架的基础上，以改善空气弹簧的动刚度为主要目标，对空气弹簧结构展开有限元仿真分析，通过分析不同结构参数对系统性能的影响，为实现改进空气弹簧系统的性能提供必要的理论和技术支持。

1 仿真模型建立

利用ABAQUS 软件实现某带附加气室的膜式空气弹簧有限元模型建立。首先，在单元选择上，采用与ABAQUS 单元S4R 相对应的四节点壳单元对橡胶气囊进行建模，采用四个节点（F3D4）对气囊壁面进行模拟，理想状态下的压缩气体与固体发生耦合现象，故采用固体性质的静态流体单元[1-2]。

其次，网格划分。气囊材料在受载时其形变和位移呈非线性，因此应对气囊材料进行详细的网格划分，在气囊与刚性体接触的部分同样作出类似划分，而上、下盖板的刚体部分可以做简要处理[3]。

最后，边界和接触条件设置。上、下盖板预先预设定为壳单元，通过Constraints 的刚体约束（Rigid）设置为刚体。对于上、下盖板与气囊材料的贴合接触部位，则采用绑定约束（Tie）对接触部位的点进行约束，气囊是主要的封闭曲面，表面的法线方向必须指向气腔内部[4]。连接管路的定义和建模采用具有8 自由度的二维二节点单元（F2D2），利用节点位置确定主副气室之间的位置关系，模拟实现两气室之间的气体流动。

2 动态分析

采用ABAQUS 中的Explicit 模式进行弹簧动态性能仿真分析[5]。研究弹簧内部初始工作气压、附加气室容积和连接管路的直径三个主要因素对弹簧动态性能的影响，每次仿真改变一个因素变量，研究单因素对动态性能的影响[6]。

改变初始气压值，分别设0.1MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa，保持连接管路直径为12mm，附加气室容积为10L，忽略节流孔及阻尼特性，研究不同初始气压对弹簧动刚度的影响。

利用有限元模型进行仿真计算，得出弹簧下底端的动载荷随位移的变化量，通过数据处理可得到弹簧动刚度。不同初始气压对弹簧动刚度的影响曲线如图1 所示。

图1 不同初始气压对弹簧动刚度的影响

由图1 可知，在低于6Hz 的低频段，不同初始气压下的动刚度均沿着激振频率的增加而略有上升；在高于6Hz 的高频段，由于激振频率过高，弹簧工作时容易产生共振现象，动态性能表现不稳定，初始气压对弹簧刚度影响变化不规则。

采用上述类似的方法，研究不同附加气室容积和连接管路直径对弹簧动刚度的影响，分别如图2 和图3 所示。

由图2 可知，在低于6Hz 的低频段，四条曲线变化趋势较为平缓，达到最大峰值后，在高于6Hz 的高频段，弹簧动刚度曲线略有下降，且变化混乱不规则，这也是系统产生共振导致的。由图3 可知，在1Hz 左右的较低频率范围内，不同管径下的动刚度值差异不大。在低于6Hz 的低

3 优化分析

利用ISIGHT 软件中的DOE 试验设计模块进行设计变量参数的矩阵试验[7]，选取初始工作气压、附加气室容积和连接管路直径为优化参数，具体的参数取值范围如表1所示。

表1 优化参数及变化范围

优化过程中使用的是多岛遗传算法，属于遗传算法的一种。在原有基础上进行改进，采用并行分布式计算，效率更高，获取最优结果的可能性越高。在优化过程中，以弹簧最小动刚度为优化目标，优化过程中共重复计算1000次，在已计算结果中寻求最优解，将优化后所获取的最优解和相对应的因素值与初始值对应下的因素值进行对比分析，结果如表2 所示。

表2 参数值优化前后对比

在有限次的优化过程中，存在一个最优解，经过与初始数据对比，动刚度值降低了11.5%，其中初始气压值略有减低，增长幅度较大的则是附加气室容积和管径。

4 结束语

弹簧工作时大多受到外界激振，低频段的不同因素对弹簧刚度的影响较明显，当达到弹簧共振频率时，即在高于6Hz 的高频段，不同因素对动刚度的影响变化不规则。在弹簧动态仿真分析中，弹簧动刚度与初始气压成正相关，与附加气室容积和连接管路直径成负相关。

优化时以最小动刚度为优化目标，采用多岛遗传算法优化后的动刚度值有所降低，且各因素的变化趋势与其影响机理相同，可利用优化算法获取相应的动刚度。