单囊式空气弹簧建模及其固有特性仿真研究

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第 30卷 第2期2013年3月深圳大学学报理工版JOURNAL OF SHENZHEN UNIVERSITY SCIENCE AND ENGINEERINGV0I.30 No.2Mar.2013自控精仪/Automatic Control and Precision Instrumentation单囊式空气弹簧建模及其固有特性仿真研究杜建铭，石素珍，罗世洲，程 涛，彭小波，冯 平深圳大学机电与控制工程学院，深圳 518060摘 要：利用Pro.E与Ansys软件对单囊式空气弹簧进行实体建模，讨论模型有限元处理方法，验证网格划分的可用性.采用 Ansys软件求解出单囊空气弹簧分别在初始充气压强为0.2、0.3和0.4 MPa时的各阶固有频率值，结果表明，随着初始充气气压的增高，空气弹簧的各阶固有频率均有所提高.由此可通过改变空气弹簧初始充气压力来调节空气弹簧工作时的固有频率，充分利用空气弹簧的特性为工程应用服务。

进-步对单囊空气弹簧进行模态响应仿真分析，给出初始气压为0.2 Mpa下 1～4阶空气弹簧振型图，找出所建空气弹簧模型的薄弱点，该研究对深入开展空气弹簧结构优化设计有借鉴意义。

关键词：空气弹簧；实体建模；固有特性；结构优化设计；有限元分析；减振降噪中图分类号：TH l3 文献标志码：A doi：10.3724/SP.J.1249.2013.02167，1 J 1 l- l - tudies on modeling a single-bellows alr spring ana l - - - · l · - · · sim ulating its inherent characteristicsDu Jianming ，Shi Suzhen，Luo Shizhou，Cheng Tao，Peng Xiaobo，and Feng PingColege of Mechatronics and Control Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P.R.ChinaAbstract：Pro-E and Ansys software are used for solid modeling of a single-belows air spring.finite-element pro-cessing methods for this model are discussed，and the meshing usability is validated.Using Ansys software，wesolve various orders of natural frequencies of a single-bellows air spring are solved at initial inflation pressures of0.2，0.3 and 0.4 MPa，respectively.The simulation results show that the naturalequency of the air spring ateach order increases somewhat with the rise of initial inflation pressure.Accordingly，the naturalequency of anair spring when operated can be regulated by adjusting its initial inflation，so as to make ful use of air springproperties for engineering applications. Furthermore，a modal response simulation analysis has been done on asingle-bellows air spring.The first-to fourth-order air spring vibration mode diagrams at an initial air pressure of0.2 MPa and the weak links of the air spring model established have been found.These results should provideguidance for further optimization of air spring structural design。

Key words：air spring；solid modeling；inherent characteristic；optimum structural design；finite element analy-sis；reducing vibration and noiseReceived：2012-O6-18；Revised：2012.11.13：Accepted：2013.01.15Foundation：The Ministry of Education and Guangdong Province Cooperation Project($2012010009058)：Basic Research Projeetof Shenzhen(JCYJ20l20613105226998)，Corresponding author：Professor Du lianming.E-mail：d m33###SZU.edu.cnCifion：Du Jianming，Shi Suzhen，Luo Shizhou，et a1.Studies on modeling a single.bellows air spring and simulating its inherentcharacteristicsJ].Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2013，30(2)：167.172.(in Chinese)第2期 杜建铭，等：单囊式空气弹簧建模及其固有特性仿真研究 l692 单囊空气弹簧实体建模及有限元处理2.1 单囊空气弹簧实体建模空气弹簧有 3种结构方式：囊式空气弹簧、膜式空气弹簧和复合式空气弹簧.其中，囊式空气弹簧又可以依据曲囊个数分为单曲、双曲和三曲等类型 .本研究主要针对单囊空气弹簧采用 Ansys软件进行建模，并对其固有特性进行仿真.空气弹簧有限元模型可分为4部分：橡胶气囊模型、气体模型、上盖板模型和底座模型.在 3维几何建模过程中，将橡胶气囊分为 3层：最里面先铺-层橡胶，然后铺-层帘线，最后再铺-层橡胶.由于是分析单囊空气弹簧固有特性，故仅考虑在充人初始气压条件下，平衡位置附近的情况，气体模型不需模拟.上盖板模型是普通的机械密封固定结构，主要用来承载力并和底座-起对橡胶囊进行密封.底座上有-个进气口，用来给空气弹簧充放气体.其3维几何模型如图 3.从橡胶气囊铺层掀开的-侧可以看到帘线是斜交叉的通过硫化铺在两橡胶层之间，其交叉密度和倾角影响空气弹簧气囊的材料刚性.根据文献[13]，可将帘线橡胶气囊体简化为-个处于广义平面应力状态的轴对称鼻结构，故可将 3维结构分析简化为2维轴对称问题。

图3 空气弹簧 3维模型铺层图Fig.3 Layer diagram of the three-dimensionalmodel of an air spring将上述所建模型转存为 IGS共用格式导人到Ansys workbench模型处理界面，导入后的空气弹簧2维模型如图4。

2.2 模型有 限元处理模型导入到 Ansys workbench后需要考虑以下问题 ：1)对于导入的2维组装模型，必须保证每个平面的法方向-致，具体可以通过 DM.tools-SU-face flip”来改变.若模型边缘半圆弧由几个圆弧图4 导入 workbench后的空气弹簧 2维模型Fig.4 Two-dimensional model of an air springafter being imported into workbench断线组成，则在划分网格过程中认为此处存在节点，故需采用 DM-tools-merge”对断线合并，以保证模型边缘线不出现断线。

2)在空气弹簧模型材料选择方面，其胶