某重卡用膜式空气弹簧刚度特性有限元仿真及实验研究

论文摘要

随着高速公路的快速发展和车辆性能的不断完善，人们对车辆提出轻量化、高速化和舒适化的要求。空气弹簧悬架具有质量轻、变刚度特性、低自振频率、高度可控和减震性能好等优点，应用于车辆可很大程度地改善其行驶平顺性和乘坐舒适性。空气弹簧是空气悬架中的核心部件，其刚度特性是悬架系统与整车性能匹配的关键参数。本文以某重卡后悬用膜式空气弹簧为研究对象，分别采用基于假设的图解法、试验方法和有限元方法得到弹簧的刚度特性，并对其刚度特性影响因素进行分析和仿真研究。主要内容包括：（1）介绍空气弹簧的工作原理、结构和类型及空气弹簧的特点，基于工程热力学理论，推导出空气弹簧的垂向刚度计算公式，并对弹簧刚度的影响因素进行详细分析。（2）基于橡胶气囊的经线长度和外径保持不变的假设，根据空气弹簧的结构形状参数建立其简化模型，通过模型的几何关系得到空气弹簧的有效面积及其变化率、有效体积及其变化率的数学表达式，将其代入弹簧刚度的计算公式得到弹簧刚度的解析解，并对计算结果进行分析。（3）根据国标GB/T130361-911中弹簧特性试验方法，对目标空气弹簧进行静态刚度特性测试，并对试验结果进行分析，同时将空气弹簧的解析解与实验结果进行对比。（4）分析空气弹簧有限元仿真中的关键技术，涉及材料非线性、几何非线性和接触非线性等多重非线性问题，给出ABAQUS有限元分析软件对这些问题的求解理论和方法，并基于此建立空气弹簧的有限元模型。（5）通过空气弹簧有限元模型仿真分析其垂向刚度特性，将仿真计算结果与实验进行对比，验证有限元模型的正确性。基于经过验证的模型，分析不同初始充气压力、帘线参数和活塞底座形状等对空气弹簧刚度特性的影响，为空气弹簧的设计和选用提供一定的理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 空气弹簧的应用
• 1.2.1 空气弹簧在汽车上的应用
• 1.2.2 空气弹簧在轨道车辆上的应用
• 1.2.3 空气弹簧在工业机械上的应用
• 1.3 当前国内外发展状况与研究现状
• 1.3.1 国外发展状况与研究现状
• 1.3.2 国内发展状况与研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 空气弹簧的工作原理及特性
• 2.1 空气弹簧系统工作原理
• 2.2 空气弹簧的结构及类型
• 2.2.1 空气弹簧的结构
• 2.2.2 空气弹簧的类型
• 2.2.3 空气弹簧的特点
• 2.3 空气弹簧的垂向刚度特性及其影响因素分析
• 2.3.1 空气弹簧的垂向刚度特性
• 2.3.2 空气弹簧的垂向刚度影响因素分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 某型膜式空气弹簧垂向刚度计算
• 3.1 空气弹簧的垂向刚度计算公式
• 3.2 膜式空气弹簧的结构及简化计算模型
• 3.3 有效面积及其变化率
• 3.4 有效体积及其变化率
• 3.4.1 凸圆弧线回转体的体积
• 3.4.2 凹圆弧线回转体的体积
• 3.4.3 空气弹簧的总体积
• 3.4.4 空气弹簧体积的变化率
• 3.5 空气弹簧简化模型刚度计算结果
• 3.6 本章小结
• 第4章 空气弹簧静刚度实验及分析
• 4.1 试验目的
• 4.2 试验样件介绍
• 4.3 空气弹簧静特性试验原理
• 4.4 空气弹簧静特性试验方法
• 4.4.1 试验设备
• 4.4.2 试验连接气路
• 4.4.3 试验步骤
• 4.5 空气弹簧静特性试验结果及分析
• 4.5.1 空气弹簧静特性试验数据
• 4.5.2 空气弹簧垂向刚度计算结果与试验结果对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 空气弹簧有限元分析及模型的建立
• 5.1 ABAQUS 软件简介
• 5.1.1 ABAQUS 总体介绍
• 5.1.2 ABAQUS 的主要分析功能
• 5.1.3 ABAQUS 的主要模块
• 5.2 空气弹簧有限元分析的关键技术
• 5.2.1 材料非线性
• 5.2.2 几何非线性
• 5.2.3 接触非线性
• 5.2.4 气固耦合
• 5.3 空气弹簧有限元分析的建立
• 5.3.1 橡胶气囊模型
• 5.3.2 气体模型
• 5.3.3 缘板、活塞和缓冲块模型
• 5.3.4 空气弹簧有限元模型及加载
• 5.4 本章小结
• 第6章 空气弹簧刚度特性仿真分析及实验验证
• 6.1 空气弹簧垂向刚度特性仿真结果
• 6.1.1 空气弹簧仿真分析应力云图
• 6.1.2 空气弹簧仿真分析结果刚度特性曲线
• 6.2 空气弹簧垂向刚度特性仿真结果与实验对比
• 6.3 空气弹簧垂向刚度特性影响因素仿真分析
• 6.3.1 不同初始充气压力对空气弹簧的垂向刚度特性的影响
• 6.3.2 不同帘线参数对空气弹簧的垂向刚度特性的影响
• 6.3.3 不同活塞形状的空气弹簧的垂向刚度特性
• 6.4 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文目录