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        基于ABAQUS 和ISIGHT 的帶附加氣室空氣彈簧動剛度特性研究

        2021-10-17 04:11:56高鵬堂
        化纖與紡織技術(shù) 2021年5期
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化

        高鵬堂

        武威職業(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)揮出更加優(yōu)越的性能。文章在帶附加氣室空氣懸架的基礎(chǔ)上,以改善空氣彈簧的動剛度為主要目標,對空氣彈簧結(jié)構(gòu)展開有限元仿真分析,通過分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響,為實現(xiàn)改進空氣彈簧系統(tǒng)的性能提供必要的理論和技術(shù)支持。

        1 仿真模型建立

        利用ABAQUS 軟件實現(xiàn)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(jié)點殼單元對橡膠氣囊進行建模,采用四個節(jié)點(F3D4)對氣囊壁面進行模擬,理想狀態(tài)下的壓縮氣體與固體發(fā)生耦合現(xiàn)象,故采用固體性質(zhì)的靜態(tài)流體單元[1-2]。

        其次,網(wǎng)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(wǎng)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(shè)置。上、下蓋板預先預設(shè)定為殼單元,通過Constraints 的剛體約束(Rigid)設(shè)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(nèi)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(jié)點單元(F2D2),利用節(jié)點位置確定主副氣室之間的位置關(guān)系,模擬實現(xiàn)兩氣室之間的氣體流動。

        2 動態(tài)分析

        采用ABAQUS 中的Explicit 模式進行彈簧動態(tài)性能仿真分析[5]。研究彈簧內(nèi)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(tài)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(tài)性能的影響[6]。

        改變初始氣壓值,分別設(shè)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(jié)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(shù)據(jù)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(chǎn)生共振現(xiàn)象,動態(tài)性能表現(xiàn)不穩(wěn)定,初始氣壓對彈簧剛度影響變化不規(guī)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(guī)則,這也是系統(tǒng)產(chǎn)生共振導致的。由圖3 可知,在1Hz 左右的較低頻率范圍內(nèi),不同管徑下的動剛度值差異不大。在低于6Hz 的低

        3 優(yōu)化分析

        利用ISIGHT 軟件中的DOE 試驗設(shè)計模塊進行設(shè)計變量參數(shù)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(yōu)化參數(shù),具體的參數(shù)取值范圍如表1所示。

        表1 優(yōu)化參數(shù)及變化范圍

        優(yōu)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(chǔ)上進行改進,采用并行分布式計算,效率更高,獲取最優(yōu)結(jié)果的可能性越高。在優(yōu)化過程中,以彈簧最小動剛度為優(yōu)化目標,優(yōu)化過程中共重復計算1000次,在已計算結(jié)果中尋求最優(yōu)解,將優(yōu)化后所獲取的最優(yōu)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(jié)果如表2 所示。

        表2 參數(shù)值優(yōu)化前后對比

        在有限次的優(yōu)化過程中,存在一個最優(yōu)解,經(jīng)過與初始數(shù)據(jù)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(jié)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(guī)則。在彈簧動態(tài)仿真分析中,彈簧動剛度與初始氣壓成正相關(guān),與附加氣室容積和連接管路直徑成負相關(guān)。

        優(yōu)化時以最小動剛度為優(yōu)化目標,采用多島遺傳算法優(yōu)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(yōu)化算法獲取相應的動剛度。

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