空气弹簧力学性态的非线性有限元模拟仿真兰艳1,2,蔡海涛1,王成国2,刘金朝2江军3(1.中南大学应用数学系,长沙410083;2.铁道科学院机车车辆研究所,北京1000083.湘潭大学数学与计算科学学院,湖南湘潭411105)[摘要]利用非线性有限元方法,在国内第一次给出了提速客车上空气弹簧的全实体单元模拟仿真方法.运用ABAQUS软件,给出了详细的力学性态分析过程与结果,通过与实验结果的比较,改进了提速客车空气弹簧设计的方法,并提供了重要的理论依据.关键词:空气弹簧;非线性;有限元;模拟仿真;全实体单元;ABAQUS中图分类号:O245;O246;TP319文献标识码:A文章编号:10005900(2005)01009004TheNonlinearFiniteElementImitatingofAirspringMechanicsQualityLANYan1,2,CAIHaitao1,WANGChenguo2,LIUJinchao2,JIANGJun3(1.MathematicsDepartmentofCentralSouthUniversity,Changsha410083China;2.InstituteofEquipment,ChineseAcademyofRailwaySeieuces,Beijing100008China;3.MathematicsDepartmentofXiangtanUniversity,Xiangtan411105China)【Abstract】Weanalyzethenon-linearcharacteroftheair-springbyusingthenon-linearFEM,andgiveansimu-lationmethodwithwholesubstanceunitfirstinChina.Incomputation,wegetthedetailmechanicalpropertyanalyzingprocessandresultbyABAQUSsoftware.Aftercomparingwiththeexperimentresult,authoralsoimprovesthedesignmethodoftheair-spring.Keywords:air-spring;non-linear;FEM;Simulate;wholesubstanceunit;ABAQUS空气弹簧的性能对车辆运行的稳定性有重要的影响.新型空气弹簧的研制对改善和提高列车、高速列车和城市轨道车辆的运行品质,延长零部件的使用寿命都具有极其重要的意义,并对其他相关行业的发展也起着重要作用.从早期的主要依靠试验和实际运用中得到的数据来改进研制,到现在欧美、日本及我国的研究部门运用计算机模拟仿真设计的方法来研制开发空气弹簧,在空气弹簧的有限元计算和控制理论方面已经有了一些成果[4,5,6,9],不过,国际上的空气弹簧模拟仿真设计因其强非线性性,目前还没有找到解决空气弹簧的非线性性理论问题的办法.本文所做的工作是在文献[3,10,7]的基础上,对空气弹簧的非线性性给以一定说明,并第一次通过有限元软件ABAQUS[1]将空气弹簧的模拟仿真设计,用实体单元给出其相关的力学性态分析.通过与实验结果的比较,改进了提速客车空气弹簧设计的方法,并提供了重要的理论依据.1空气弹簧模拟仿真中的非线性问题空气弹簧的性能分析过程中,包含有几何非线性、材料非线性、边界非线性三大非线性问题,即为一三重耦合的强非线性问题.空气弹簧的胶囊和橡胶堆的材料是典型的超弹性材料———橡胶,其计算就牵涉到了材料的非线性,本文中空气弹簧的材料模型是依Moongy-Rovlin模型[8]:W=C1(I1-3)+C2(I2-3)给出,其中C1,C2的取值依赖于实验数据而得.对此模型,既可运用大变形非线性弹性有限元法中的全拉格朗日模式来求解,也可用更新拉格朗日模式来求解.胶囊和橡胶堆在模拟的过程中变形是很大的,传统有限元计算的小变形情况的理论就不再适用了,因而必须考虑有限元计算中的几何非线性问题.而收稿日期:20031115基金项目:湖南省教育厅基金资助项目(02C571)作者简介:蔡海涛(1935-)男,湖南南县人,教授,博士生导师,E-mail:lanyan@rongyuan.cn;第27卷第1期2005年3月湘潭大学自然科学学报NaturalScienceJournalofXiangtanUniversityVol.27No.1Mar.2005空气弹簧的接触非线性问题则是由上下盖板与胶囊相接触引起的,当胶囊与盖板相接触,它们相互之间会产生法向压力和摩擦剪切力,因胶囊及与胶囊相接触的盖板材料均为橡胶,硬度较大,在模拟过程中设其接触条件为接触体之间无相对滑动,对于无相对滑动接触,在接触有限元法中可用罚单元法来求解.本文主要的分析目的就是确定空气弹簧对应的载荷-位移响应,然后通过此响应来综合分析空气弹簧的力学性能,故本文要求解的方程组属求解非线性结构的响应类型.一般地应用于非线性有限元方程的非线性结构问题可表示为[8]图1空气弹簧结构示意图图2空气弹簧CAD建模示意图K(q)q=g其中q是未知位移的适量,g是施加的结点载荷矢量,三大非线性因素则隐...
