張 波，田清帥，劉萬(wàn)強(qiáng)

(中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031)

列車出入庫(kù)或通過車場(chǎng)線時(shí)經(jīng)常會(huì)通過小半徑曲線，此時(shí)往往會(huì)伴隨空氣彈簧最大水平位移的出現(xiàn)，這是空氣彈簧最容易與轉(zhuǎn)向架相關(guān)結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉的情形。一旦發(fā)生干涉，空氣彈簧氣囊將有可能被刺破，進(jìn)而對(duì)列車運(yùn)行安全產(chǎn)生極為不利的影響。所以，對(duì)空氣彈簧進(jìn)行水平大位移限界校核是其設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的一項(xiàng)必要工作。對(duì)于新產(chǎn)品而言，由于缺乏既有產(chǎn)品的實(shí)際限界數(shù)據(jù)作參考，在設(shè)計(jì)初期只能借助有限元仿真軟件對(duì)方案進(jìn)行水平大位移限界校核。本文提出一種方法，可以將有限元仿真獲得的空氣彈簧極端變形三維不規(guī)則模型，直接導(dǎo)入到三維建模軟件中，與轉(zhuǎn)向架模型進(jìn)行裝配，直觀地觀察空氣彈簧是否與轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生干涉。

由于有限元仿真模型無(wú)法直接導(dǎo)入三維建模軟件，如何找到一種途徑能將有限元仿真結(jié)果轉(zhuǎn)化為三維建模軟件可直接讀取的形式，是本文研究的重點(diǎn)。本文將借助有限元前處理軟件實(shí)現(xiàn)該過程，具體實(shí)現(xiàn)路徑：有限元仿真→節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)提取，逆向生成通用格式幾何外形→三維組裝。

1 極端變形工況有限元仿真模擬

1.1 研究對(duì)象及工況要求

本文所選研究對(duì)象為中車青島四方車輛研究所有限公司生產(chǎn)的某型空氣彈簧，其主要由上蓋、扣環(huán)、氣囊、支承座及橡膠堆組成。氣囊為層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，由內(nèi)層橡膠、簾布層、外層橡膠和鋼絲圈硫化而成。該空氣彈簧基本結(jié)構(gòu)見圖1，極端變形仿真基本參數(shù)見表1。

1.上蓋；2.扣環(huán)；3.支承座；4.氣囊；5.橡膠堆。圖1 某型空氣彈簧結(jié)構(gòu)圖

表1 空氣彈簧極端變形仿真基本參數(shù)

1.2 仿真模擬

首先在有限元仿真軟件中建立空氣彈簧軸對(duì)稱模型[1-2]。橡膠材料設(shè)置為各向同性不可壓縮的超彈性材料，采用Mooney-Rivlin模型表征其本構(gòu)關(guān)系，并用Rebar單元定義簾線。對(duì)空氣彈簧局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將上蓋、橡膠堆底座設(shè)為剛體。氣囊與上蓋、氣囊與支承座的配合位置設(shè)置接觸關(guān)系。將氣囊描述為以橡膠為基體、簾線為加強(qiáng)層的軸對(duì)稱單元，并通過定義簾線在橡膠基體中的位置、密度、截面積以及簾線層間的角度來(lái)確定氣囊材料的構(gòu)成關(guān)系。采用約束關(guān)系將簾線嵌入到氣囊中，并在氣囊內(nèi)部建立流體空腔模擬充氣過程。在無(wú)水平位移時(shí)的空氣彈簧軸對(duì)稱模型如圖2所示。

圖2 空氣彈簧軸對(duì)稱模型

軸對(duì)稱模型仿真完成后，通過運(yùn)行命令流的方式將其旋轉(zhuǎn)成為三維模型，按照表1中的參數(shù)，施加相應(yīng)的載荷及位移約束，仿真模擬其極端變形工況?？諝鈴椈扇S模型極端變形仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 空氣彈簧三維模型極端變形仿真結(jié)果

2 節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)提取，逆向生成幾何外形

將有限元結(jié)果轉(zhuǎn)化成三維建模軟件可直接讀取的形式，需要借助有限元前處理軟件或具有該有限元前處理功能的軟件實(shí)現(xiàn)。

2.1 實(shí)現(xiàn)方法

有限元仿真軟件與有限元前處理軟件之間通常有進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口，利用該接口將有限元仿真模型導(dǎo)入到有限元前處理軟件中(圖4)，然后利用有限元前處理功能提取變形后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，逆向生成通用格式的幾何外形。

具體實(shí)現(xiàn)過程為：將目標(biāo)載荷步的有限元仿真結(jié)果文件導(dǎo)入到有限元前處理軟件中，提取變形后的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，逆向生成通用格式的幾何外形[3](如IGES格式)。

2.2 橡膠件變形后的幾何輪廓提取

空氣彈簧中的氣囊與橡膠堆在極端變形仿真過程中會(huì)產(chǎn)生大變形。按照2.1節(jié)所述方法，借助于有限元前處理功能，逆向生成的氣囊與橡膠堆極端變形后的幾何輪廓如圖5所示。因本文只研究模型的限界，為簡(jiǎn)便起見，只導(dǎo)出橡膠結(jié)構(gòu)的最外側(cè)幾何表面。

圖5 提取出的氣囊及橡膠堆極端變形后的幾何輪廓

2.3 金屬件幾何外形獲取

空氣彈簧中的金屬件，如上蓋、扣環(huán)、支承座和橡膠堆底座等結(jié)構(gòu)，在極端變形仿真過程中幾乎不發(fā)生變形，可近似為剛體。這些部件外形無(wú)需從有限元仿真模型中提取，直接采用三維建模軟件建模即可。

3 三維建模

前面所獲取的幾何模型包含了空氣彈簧的所有構(gòu)成部件，在三維建模軟件中按照對(duì)應(yīng)幾何關(guān)系進(jìn)行裝配，便可以獲得空氣彈簧極端變形后的三維模型，如圖6所示。

圖6 空氣彈簧極端變形后的三維模型

4 三維限界校核及試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 三維限界校核

極端變形后的空氣彈簧模型可直接在三維建模軟件中與轉(zhuǎn)向架進(jìn)行裝配，直觀地從各視角校核該空氣彈簧限界是否滿足要求，裝配后的模型如圖7所示。

圖7 極端變形后的空氣彈簧與轉(zhuǎn)向架裝配圖

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

將實(shí)際產(chǎn)品的極端變形試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表2。從表2中可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

表2 極端變形試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比 mm

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種鐵道車輛空氣彈簧極端變形限界校核方法，可以將有限元仿真得到的空氣彈簧極端變形三維模型直接導(dǎo)入到三維建模軟件中與轉(zhuǎn)向架進(jìn)行裝配，實(shí)現(xiàn)直觀的三維限界校核。該方法在產(chǎn)品開發(fā)初期，對(duì)于判斷方案的可行性，提高產(chǎn)品研發(fā)成功率和研發(fā)效率具有指導(dǎo)意義。