（光学工程专业论文）大客车前双气囊空气悬架及前段车架结构有限元分析与试验研究.pdf

摘要随着生活水平的提高，人们对客车的乘坐舒适性和行驶安全性要求越来越高，而汽车平顺性和操纵稳定性已成为其在市场竞争中重要性能指标之一。和钢板弹簧悬架车辆相比，空气悬架车辆不仅能提高行驶平顺性，还能改善轮胎接地性和车辆的操纵稳定性，减少车辆对路面的损坏，加强对货物的保护。本文利用液压动力环境模拟系统( m t s ) 对大客车前双气囊空气悬架及前段车架总成进行斜波载荷和正弦载荷的加载试验，通过先进的动态应变仪采集悬架的应力应变数据；采用u g 建立空气悬架的3 d 模型，运用a n s y s 软件对u g 建立的3 d 模型进行仿真。在对试验空气悬架的安装基体一车架进行模态仿真，得出车架的模态频率和模态特性的基础上，分析得到车架后横梁处振动相对较大；通过借鉴轮胎有限元分析方法，按本实验空气弹簧的特点，建立了空气弹簧的有限元模型，由仿真结果与实验结果的对比，验证了空气弹簧有限元模型建立、边界及约束条件的简化和计算方法选取的正确性。通过把空气弹簧的仿真刚度引入到整体模型，得到悬架主要部件及前段车架的受力情况，并导出仿真结果。最后，通过实验数据和仿真结果对t 匕，验证了该空气悬架及前段车架的强度满足使用要求。本文的研究成果，可为开发同类空气悬架及三段式车架的前段总成提供参考。关键词：大客车；空气悬架：空气弹簧；车架；强度试验；结构分析；有限元法a b s t r a c tr i d i n gc o m f o r t a b l ea n dc o n t r o ls t a b i l i t yh a sb e e nr e q u i r e sm o r ea n dm o r es t r i c t i yw i t ht h ei m p r o v e m e n to fo u rl i f e ，a n dt h e yh a v eb e c o m et w oi m p o r t a i l tp e 0 n n a n c ei n d e x e sb yw r h i c ht h ev e h i c l em o r ee a s yi nt h ec o m p e t “i o n t h ev e c h i c l ew na i rs u s p e n s i nh a sb e t t e rp e r f o r n l a n c ei nr i d ep e r f o r m a n c e ，t i r el i f e ，c o n t r o ls t a b i l i t y ，l e s sd a m a g eo fr o d ea n dm o r ep r o t e c t i o no f g o o dc o m p a r e dw i t ht h o s ew i t hl e a fs p f i n gs u s p e n s i o n 。i nt h i st e ) c ts i m u l a t i n gt h eb u s 仔o n td o u b l e - b a l l o o na i rs u s p e n s i o nu n d e rr a m pa n ds i 肌s o i d a ll o a dt e s tb yh y d r a u l i cp o w e rs y s t e me n v i r o n m e n t ( m t s ) ，t h r o u g ha d v a n c e dd y n a m i es t r a i ng a u g ec o l l e c t i n gs t r e s sa n ds t r a i nd a t ao ft h et e s ，a n de x p o n i n gt e s td a t a iu s e dm e a s u r i n gt o o l st og e tt h ed i m e n s i o no f 疗a m ea n da i rs u s p e n s i o n b e f o r ef o u n d i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l ，ia n a l y s i st h es t m c t u r a jc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s ts u s p e n s i o n ，s i m p l i f i e d 舶n t 觎m ea n da i rs p f i n g ，c o m r o ld e v i c e ，s t a b i l i z e ra n dm o u n t i n gb r a c k e t0 fa rs u s p e n s i o no nr e a s o n a b i ea s s u m p t i o n s a c c o r d i n gt ot h ep r e v i o u sm e a s u r e m e n td a t aa n ds i m p l i f y i n gt h ec o n d i t i o n su s i n gu gt oe s t a b l i s ha3 dm o d e lo fa i rs u s p e n s i o n ，t h e nu s ea n s y ss i m u l a t e3 du gm o d e l f i r s ts i m u i a t i n g6 旧n t 触m e sm o d a l ，a na n a l y s i so fe v e 哆b a n dv i b r a t i o nm o d eo fm o d a l c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fa i rs p r i n g sa n db o i t o w e dt h em e t h o d 仔o mf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft i r e s ，t h e nie s t a b l i s haf i n i t ee l e m e n tm o d e lo fa i rs p r i n g si ns i m u l a t i o n t h r o u g hc o m p a r i i 塔t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h et e s tr e s u l t s ，c o n f i r mt h em o d e le s t a b l i s h m e n tc o r r e c t i m p o r tt h ea i rso ft h ea i rs p r i n ga n dt h es e l e c t i o no fb o u n d a l 。yc o n d i t i o np r i n gs t i 胁e s si n t ot h eo v e r a l lm o d e l ，g e tt h ea i rs u s p e n s i o n sc o m p o n e n t sa n dt h e 行| o n t 矗a m e ss t r e s s ，t h e ne x p o r ts i m u l a t i o nr e s u h s c o m p a r i n ge x p e r i m e n t a ld a t aa n ds i m u i a t i o nr e s u l t sg e tt h ec o n l u s i o nt h ei 血e n s i t yo ft h ef b n t 行a m e 龇订a i rs u s p e n s i o nm e e tt h ea p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s r e s e a r c hr e s u l t si nt e ) 【tc a np r 0 v i d er e f l e r e n c e 内rd e v e l o p i n gs i m i l a u ra i fs u s p e n s i o na n d疔o n tf r a m eo ft t u e ef h m e k e y w o r d s ：b u s ；越rs u s p e n s i o n ；凡rs p r i n g ；f r a m e ；s t r e n 蹲ht e s t ；s t m c t u r ea n a l y s i s ；f i n i t ee l e m e h tm e t h o d论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。：卟冲洲9 日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：蝇加7 年易月p 日铷一坤硒中铆年莎肿日i长安大学硕士学位论文第一章绪论1 1 概述1 1 1 引言空气悬架诞生于1 9 世纪中叶，早期用于机械设备隔振。1 9 4 7 年，美国首先在普耳曼汽车上使用空气悬架，随后欧洲及日本等国家和地区也相继开展了汽车空气悬架的研究。目前，国外汽车工业发达国家无论是客车还是载重汽车都已经比较普遍采用了空气悬架系统。而国内却处于刚刚起步阶段，只在部分豪华客车、少数重型载货车上和高级轿车上得到应用【1 1 。国内高速公路的发展对空气悬架市场产生了很大的推动作用。随着我国高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客车的需求，对汽车的操纵稳定性、平顺性、安全性提出了更高的要求，空气悬架客车将逐渐得到广泛应用。此外国家政策和法规也在积极引导和鼓励高级大客车的研发，因此针对空气悬架的理论研究和实验研究越来越受到企业及理论研究人员的重视。随着c a d 及c a e 技术的发展，产品的研发思路发生着重大改变。c a d 技术缩短了产品的设计周期，降低了设计成本；c a e 技术则采用虚拟分析方法对结构的性能进行模拟、仿真，预测结构性能，优化结构设计，为产品研发提供指南。在汽车产品研发的整个过程中，利用c a e 技术可以对汽车结构的强度、刚度，车辆的振动、噪声、平顺性、耐久性、多刚体动力学以及碰撞安全性等各项性能进行分析、评估和设计。1 1 2 课题研究背景悬架是连接车桥和车身的主要部件，决定着汽车的行驶平顺性及乘坐舒适性，而汽车行驶平顺性及乘坐舒适性的好坏决定着各汽车厂家能否生存和发展。因此，国内外各汽车设计及研发部门纷纷投巨资研发新的、高性能的悬架，随之空气悬架应运而生。与国外相比国内空气悬架的研究远落后于国外，空气悬架的关键技术仍被国外垄断。随着数学理论及高速计算机的发展，c a d 、c a e 、c 蝴改变了原有的设计、生产、实验模式。c a d 即计算机辅助设计( c a d c o m l 川e r 赴d e dd e s i g n ) ，利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。c a d 能够减轻设计人员的计算、画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。c a e 的一个重要组成部分一有限元分第一章绪论析技术( f i n i t ee l e m e n ta m a l y s i s ，f e a ) 应用到设计中后，可以根据初步设计方案建立有限元仿真模型，通过考察仿真模型的结构特性来判断初步设计方案是否合理；对于设计不合理的结构也可以在有限元模型上方便地进行修改，并快速获得修正模型的结构应力、变形状况，以此综合考察某处结构的修改对于相邻结构或整体结构的影响，防止出现局部应力状况得到改善而其他区域被恶化的情况。c a x ( c a d 、c a e 、c ) 可以为实际设计生产提供一定的指导依据。近年来，越来越多的高校、研究机构和企业运用c a x 技术，实践证明，在产品设计中利用计算机进行造型和有限元分析是一条低成本高效率之路。随着人民生活水平的日益提高，乘客对客车的乘坐舒适性要求也越来越高，在车身结构不变的情况下，采用空气悬架可以明显提高车辆的行驶平顺性进而提高乘坐舒适性。近年来，伴随着空气悬架的价格因其设计制造技术水平的提高而逐步降低，空气悬架在客车上的应用越来越广泛。由于采用变刚度的空气弹簧作为弹性元件，再加上高度控制机构，使得空气悬架可以在不同载荷下保证车身高度基本不变，并能保证悬架系统有相对稳定的固有频率。目前，国内对钢板弹簧悬架进行有限元分析的研究较多，对钢板弹簧悬架仿真中单元类型的选择和边界条件运用己形成一套较为成熟的方法。但针对空气悬架进行结构分析的研究较少，而对车架和空气悬架整体结构进行仿真的则更少。目前，在针对空气悬架的仿真研究中，大部分是分析其主要部件( 空气弹簧刚度特性、减振器阻尼特性、车架在各种工况下的受力情况及模态分析等) ，且大多选用a d a m s和m 灯l a b 等软件。本课题的开展，旨在分析大客车三段式底盘的前段车架模态、空气弹簧刚度和前段车架与空气弹簧整体结构在静态、动态载荷下的受力情况。1 2 国内外空气悬架技术的发展和研究现状1 2 1 国外空气悬架技术的发展和研究现状2 0 世纪3 0 年代初，美国凡世通轮胎公司首次把空气弹簧应用于汽车工业。哈维凡世通( h j u v e yf i r e s t o 鹏) 在亨利福特一世( h e n 巧f o r di ) 和托马斯阿瓦爱迪生( t h o m a s越v ae d i s o n ) 的技术支持下，1 9 3 4 年研制出了柱式空气弹簧悬架系统a m e d e 空气弹簧。1 9 4 4 年通用汽车公司与凡世通公司合作，在其客车上进行了首轮试验，试验结果显示了空气悬架系统的内在优越性。随后通用汽车公司经过大量的产品研制开发工作，1 9 5 3 年开始试生产装有空气悬架的客车，这是商用汽车采用空气弹簧悬架的开始。2 0 世纪5 0 年代中叶，固特异轮胎公司研制出一种滚动凸轮式空气弹簧，凸轮在活塞2长安大学硕士学位论文的型面上滚动，从而控制空气弹簧的负载变化关系曲线。同时，空气控制系统的巨大进步也为空气悬架的应用起了很大的推动作用【4 i 。进入上世纪8 0 年代中后期，欧、美等汽车工业发达国家开始将多刚体系统动力学模型用于客车运动学、动力学和安全性等方面的研究。随着这些研究的深入，适合于客车多刚体系统动力学分析的大型程序系统也纷纷问世，如n u b e m m 、d y n a 、a d a m s 、d a d s 等，推动客车技术的发展出现了大的飞跃。例如，美国通用客车公司和福特客车公司在那时就已经用a d 蝴s 软件进行过诸如客车操纵稳定性等的仿真，使原来需几个月完成的任务往往只用几个小时就可以完成【5 】。国外汽车空气悬架发展经历了“钢板弹簧一气囊复合式悬架一被动全空气悬架一主动全空气悬架( 即e c a s 电控空气悬架系统) 的型式变化。主动全空气悬架应用了电子控制系统，使传统空气悬架系统的性能得到很大改善，汽车在各种路面、各种工况条件下都能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能( 如故障诊断功能等) 。目前，e c a s 系统在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用。随着人们生活水平的提高，对汽车舒适性的要求越来越高，e c a s 这一先进的空气悬架系统在汽车上的应用将越来越普及。德国大众汽车公司在底盘上应用了自适应控制规律，目前发展最迅速的控制策略是智能控制( 模糊控制和神经网络控制) 。模糊控制方法具有自动调节输入变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能，计算机仿真结果表明该方法更有效。神经网络是一个由大量处理单元组成的高度并行的非线性动力系统，它能进行数据融合、学习适应性和并行处理，研究表明它比传统控制有更好的性能。执行器是实现控制目标的重要环节，因此作对动器的研究也是主动悬架研究的重要内容。为保证主动悬架的良好性能，执行器必须具有灵敏、隐定、能耗低、成本和总量低等特点。日产公司则开发了蓄能式减振器，它将压力控制阀同小型蓄能器及液压缸结合起来，使路面不平整引起的振动被蓄能器吸收，车身隔振由主动阻尼和被动阻尼共同完成，因而能耗有所降低。不过液压动力系统尚有许多不足之处，比如对工作环境有一定要求；元件制造精度要求高、成本难以下降；处理小信号的数字运算，误差的检测与放大、测试与补偿、自动化与实现远距离控制等功能不如电气系统灵活准确等。因此，现在执行器的研究主要集中在直线伺服电机、电磁蓄能器的方向。电气动力系统中的直线伺服电机具有较多的优点，永磁直流直线伺服电机的驱动性能优于液压系统，今后将会取代液压执行机构。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能低功3第一章绪论耗的电磁蓄能式自适应主动悬架。1 2 2 国内空气悬架技术的发展和研究现状空气悬架在我国的应用落后国外几十年，直到近几年随着高档客车制造技术的引进以及适应人们对舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求，空气悬架才开始逐步在各较大客车上得到应用。目前，在我国空气悬架主要集中应用在高等级客车上，但由于受多方面因素的制约，空气悬架的配置率还很低，基本上还属于“导入的初步应用阶段。目前，虽然国内拥有空气悬架项目的公司为数众多，但真正具备空气悬架系统设计开发、制造能力的寥寥无几，规模也十分有限。很多国内代理空气悬架的公司，由于是以追求经营利润为导向，对设计、匹配等技术环节往往存在先天不足，导致汽车厂出现问题时无法及时解决等问题，致使空气悬架的推广应用受到了极大的限制【2 1 p lo空气悬架在我国的普及程度和欧美等国家有很大差距，主要原因是空气悬架的成本较高，其实质上反应了空气悬架的国产化程度低。虽然有一些自主品牌的空气悬架，但其设计、制造技术与国外相比还有很大差距，因此在完全国产化前，空气悬架普及的任务还相当艰巨。其实我国早在二十世纪五十年代就对空气弹簧进行了研究。1 9 5 7 年初，长春汽车研究所与化工部橡胶工业研究所合作，进行了空气弹簧橡胶气囊的设计与研究工作。同年底制造出我国第一辆空气悬架货车。1 9 5 8 年，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车以及轨道车辆等多种车辆的空气悬架。上世纪八十年代初，长春汽车研究所再次进行了空气悬架的研究，并为武汉客车制造厂、瓦房店客车厂、四平客车厂等几家工厂设计了空气悬架，当时车身自振频率可降低到1 1 1 2 h z ，平均车速提高了1 7 ，悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了许多。1 9 8 7年长春汽车研究所与沈阳飞机制造公司汽车厂共同开发了c a l 5 l d l 8 空气悬架客车底盘，并装在s f q 6 9 8 l a 型客车上。这期间，国产空气悬架存在的主要问题是橡胶空气囊寿命偏低和高度控制阀泄漏问题没有很好得到解决。上世纪九十年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气悬架及装备空气悬架的底盘，对其产品进行技术改造，以提高产品的技术含量，抢占国内高档客车市场，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司、西安飞机制造厂、安凯汽车股份有限公司、亚星客车集团公司和丹东汽车制造厂等。同时，内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬架进行开发设计和理论研究，如东风汽车工4长安大学硕士学位论文程研究院对混合式空气悬架进行过设计；中国重型汽车集团公司在斯泰尔车上安装了浮动桥空气悬架；1 9 9 1 年交通部重庆公路科学研究所对大客车非独立空气悬架的导向机构进行了研究；1 9 9 9 年交通部重庆公路科学研究所又对安装n e 、a y 空气悬架的w d 6 8 9 0 h 型客车整车进行了研究；江苏省交通科学研究院与亚星客车集团共同开发了中型客车用混合式空气悬架；湖北大学提出了根据振幅的变化范围确定具有非线性弹性元件的悬架固有频率计算方法；同济大学曾对空气弹簧系统的动特性进行过研究；北京理工大学也进行了日野r c 4 2 0 型客车空气弹簧的台架试验，并进行了空气弹簧静、动特性和气室容积特性的分析。在这段时期，沈阳飞机制造公司和交通部重庆公路科学研究所起草了g b l l 6 1 2 8 9 客车空气悬架用高度控制阀和g b 厂r 1 3 0 6 1 9 4 汽车悬架用空气弹簧一橡胶弹簧，为高度控制阀和橡胶气囊国产化提供了标准。现在，国内的空气悬架技术基本成熟，但是在电子控制的主动悬架方面还和国外有很大差距，所以国内悬架技术还有很大上升空间1 3 l l 【3 2 】。1 2 3 悬架的发展方向客车悬架发展需要解决的主要技术有：( 1 ) 油气悬架技术由油气部件和弹簧系统共同支撑车体，根据汽车变化的承载量，由油气部件调节悬架的水平位置，使弹簧保持正常的使用位置。( 2 ) 阻尼可调节减振器由传感器感知汽车行驶时的状况，包括载荷大小、路面不平、是否转向、是否加速或制动等，经电控单元分析判断，通过电磁阀液压系统，调节减振器的阻尼。此项技术又称为半主动悬架技术。( 3 ) 全主动悬架技术通过电液系统不仅调节阻尼而且调节弹力、水平位置等。( 4 ) 智能控制针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架系统电控技术是汽车悬架系统振动性能改进的方向。悬架位于车身与轮胎之间，对车辆的运动性能、乘坐舒适性有重大的影响。电子控制悬架作为实现这种对悬架的优化控制的方式之一，是利用“预知传感器一进行预知控制的“预知控制悬架疗。( 5 ) 环保型5第一章绪论从地球环境来考虑，为进一步节约能源，悬架控制向高压力化、高电压化、小型轻量化发展。在控制理论方面正在致力于模糊逻辑控制、神经网络控制等应用于悬架方面的研究。( 6 ) 高性能、低能耗空气悬架包含着多种力的合作，是现代客车十分关键的部件之一。随着客车结构和功能的不断改进和完善，研究客车振动，运用较优的控制方法，得到高性能的减振效果，且使能耗尽可能的低，是客车悬架系统发展的主要方向。1 3 本课题研究的内容1 3 1 本课题的研究目的( 1 ) 根据空气弹簧和空气悬架的特点，探讨一种空气弹簧刚度的有限元分析方法，内容包括空气弹簧模型的简化及建立、材料选取和边界条件处理等。( 2 ) 考察某前双气囊空气悬架大客车前段车架的强度、刚度是否满足使用要求。( 3 ) 研究分析该空气悬架空气弹簧的非线性刚度和前段车架的振动模态。1 3 2 本课题的研究意义。( 1 ) 为掌握空气悬架的核心技术，缩小与国外空气悬架技术的差距并最终实现国产汽车整体技术水平和竞争力提升，进行一次有益的探讨。( 2 ) 由于空气悬架结构复杂，其强度、刚度问题关系到整车的结构安全和乘坐舒适性，因此了解、掌握其静、动态载荷下的应力分布，对悬架结构设计和优化具有十分重要的意义。( 3 ) 系统研究前段车架的模态，在模态分析中车架横纵梁采用螺栓连接，不是采用耦合连接，为以后螺栓连接结构的静、动态仿真分析提供参考。( 4 ) 研究中所使用的空气弹簧刚度的有限元仿真方法，可为空气悬架的理论研究提供思路。1 3 3 本课题研究的主要内容与主要工作以某大客车前双气囊空气悬架及前段车架为例，研究探讨前段车架和空气悬架结构的有限元分析问题。研究工作内容主要有以下几个方面：( 1 ) 通过查阅大量有关研究钢板弹簧悬架、空气弹簧悬架的文献资料，全面了解空气悬架实验和仿真的方法和思路。6长安大学硕士学位论文( 2 ) 研究分析空气悬架的结构和载荷特点。( 3 ) 利用环境动力模拟激振系统( m t s ) 对大客车前双气囊空气悬架总成进行斜波正弦载荷激振台架试验，得出其在激振响应下的变形特性和车架的应力分布特性。( 4 ) 根据实验悬架的1 ：1 实测尺寸，对其结构进行适当简化，利用u g 软件画出悬架的三维实体模型，通过u g 和a n s y s 软件接口，把模型导入a n s y s 建立有限元模型。( 5 ) 根据空气悬架的特点和结构尺寸，利用a n s y s 有限元软件分别进行车架模态、空气弹簧刚度、及空气悬架与前段车架的整体动、静态进行仿真，并得出仿真数据。( 6 ) 对仿真结果和实验数据进行对比，分析仿真结果和实验数据之间存在误差的原因，并提出下一步研究的改进建议。7第二章结构分析有限元基础2 1 软件介绍第二章结构分析有限元基础2 1 1u g 软件介绍u g 是u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司推出的集c a d c 舢c a e 于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用。u gn x 5 是n x 系列的最新版本，在原有基础上做了大量的改进。u gn x 5 软件由多个模块组成，主要包括c a d 、c 删、c a e 、注塑模、钣金件、w 曲、管路应用、质量工程应用、逆向工程等应用模块，其中每个功能模块都以觎e w a v 环境为基础，它们之间既有联系又相互独立。u gc a d 模块主要包括以下五个模块：( 1 ) 实体建模实体建模集成了基于约束的特征建模和显性几何建模两种方法，提供符合建模的方案，使用户能够方便地建立二维和三维线框模型、扫描和旋转实体、布尔运算及其表达式。实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础。( 2 ) 特征建模u g 特征建模模块提供了对建立和编辑标准设计特征的支持，常用的特征建模方法包括圆柱、圆锥、球、圆台、凸垫及孔、键槽、腔体、倒圆角、倒角等。为了基于尺寸和位置的尺寸驱动编辑、参数化定义特征，特征可以相对于任何其他特征或对象定位，也可以被引用复制，以建立特征的相关集。( 3 ) 自由形状建模u g 自由形状建模拥有设计高级的自由形状外形、支持复杂曲面和实体模型的创建。它是实体建模和曲面建模技术功能的合并，包括沿曲线的扫描，用一般二次曲线创建二次曲面体，在两个或更多的实体间用桥接的方法建立光滑曲面。还可以采用逆向工程，通过曲线，点网格定义曲面，通过点拟合建立模型。还可以通过修改曲线参数，或通过引入数学方程控制、编辑模型。( 4 ) 工程制图u g 工程制图模块是以实体模型自动生成平面工程图，也可以利用曲线功能绘制平面工程图。在模型改变时，工程图将被自动更新。制图模块提供自动的视图布局( 包括8长安大学硕士学位论文基本视图、剖视图、向视图和细节视图等) ，可以自动、手动尺寸标注，自动绘制剖面线、形位公差和表面粗糙度标注等。利用装配模块创建的装配信息可以方便地建立装配图，包括快速地建立装配图剖视、爆炸图等。( 5 ) 装配建模u g 装配建模是用于产品的模拟装配，支持“由底向上 和“由顶向下 的装配方法。装配建模的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑，组件以逻辑对齐、贴合和偏移等方式被灵活地配对或定位，改进了性能和减少存储的需求。参数化的装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共同创建的紧固件组和共享，使产品开发并行工作。本文中主要用到u g 的实体建模、特征建模及装配建模三个模块，熟练的使用u g软件可为有限元分析节省大量的时间。2 1 2a n s y s 软件介绍a n s y s 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场等分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国a n s y s 开发，它能与多数c a d 软件接口，实现数据的共享和交换，如u g 、p m e n g i n e e r 、n a s t r a n 、魁o g o r 、i d e a s 、a u t o c a d 等，是现代产品设计中的高级c a d 工具之一。a n s y s 软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域：航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统和运动器械等。a n s y s 软件主要包括三个部分，即前处理模块、分析计算模块和后处理模块。( 1 ) 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。( 2 ) 分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析) 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。( 3 ) 后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。9第二章结构分析有限元基础此外，软件还提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。a n s y s 软件提供的分析类型包括：( 1 ) 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。a n s y s 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。( 2 ) 结构动力学分析结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。a n s y s 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。( 3 ) 结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。a n s y s 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。( 4 ) 动力学分析a n s y s 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。( 5 ) 热分析程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力，以及模拟热与结构应力之间的热一结构耦合分析能力。( 6 ) 电磁场分析主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。( 7 ) 流体动力学分析a n s y s 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热一流管单元模拟结1 0长安大学硕士学位论文构的流体绕流并包括对流换热效应。( 8 ) 声场分析程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。( 9 ) 压电分析用于分析二维或三维结构对a c ( 交流) 、d c ( 直流) 或任意随时问变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。本文主要使用a n s y s 的结构静力分析、结构动力学分析及结构非线性分析三个分析类型。2 2 有限元法在空气悬架研究中的应用汽车设计的直接目的就是使所开发、制造的车辆达到安全、舒适、可靠、经济、环保、载重大和质量轻等目标，充分满足用户的使用要求。而研制过程中的关键一环就是保证汽车结构的强度和刚度。汽车结构的力学特性在很大程度上决定了整车的品质。汽车结构由多种材料组成，其部件形式各种各样，包括板、梁、轴、块等，通过铆接与焊接构成空间形状复杂的体系。对这一复杂体系，不可能用传统的解析数学来描述。此外汽车所承受的载荷十分复杂，受到包括自重、货物、乘员、设备等各种载荷的作用，同时也受到各种路面激励和各种车速条件下惯性力的作用，以及各连接构件之间的相互约束，因此难以用经典力学的方法计算。而有限元法由于其能解决结构形状和边界条件都任意的力学问题，所以在汽车结构分析中得到了广泛应用。目前，汽车结构有限元分析的应用主要体现在i l l l ：( 1 ) 在汽车设计中对所有结构件及主要零部件的强度、刚度和稳定性分析。( 2 ) 汽车结构件或零部件的优化设计。如以汽车质量或体积为目标函数的最优设计，以及对比分析中的参数化设计和形状优化。( 3 ) 对汽车结构件进行模态分析、瞬态分析、谐响应分析和响应谱分析，为结构的动态设计提供方便有效的工具。( 4 ) 汽车零部件及整车的疲劳分析，在概念或技术设计阶段估计产品的寿命或分第二章结构分析有限元基础析部件损坏的原因。( 5 ) 应用概率有限元，为汽车零部件提供概率和可靠性设计依据。( 6 ) 车身内的声学设计。将车身模态与车内声模态偶合，评价乘员感受的噪声并进行噪声控制。( 7 ) 车身空气动力学计算，解决高速行驶中的升力、阻力和湍流等问题，为汽车性能和造型设计服务。( 8 ) 车内热舒适性分析。计算分析空调工况下不同车身结构的车内温度场、湿度场和气流速度场，提高乘坐环境舒适性。( 9 ) 汽车碰撞历程仿真和乘员安全保护分析，提高汽车结构的被动安全性。2 3 有限元法理论2 3 1 有限元分析过程及其优越性在工程实践中，很多问题的解决都与求解微分方程有关。例如：材料力学中梁的弯曲问题就可以归结为求解以挠度为未知函数的常微分方程的问题，弹性体的变形问题可以归为求解以位移为未知场变量的偏微分方程的问题，等等。由于各种原因，这些问题中可以通过解析方法解决的仅仅是很少的一部分，大量实际问题需要借助数值方法来求解。但是，连续的求解域是由无限多个微元体组成的，这与数值求解实现发生矛盾。有限元方法通过将连续体离散化的办法来解决这一矛盾，基本思路是：把具有无限自由度的连续体，离散化为许多具有有限未知量的小区域的集合体，使问题简化为适合于数值求解的结构性问题【6 1 。有限元方法的分析过程如下：( 1 ) 创建求解域的几何模型创建几何模型通常是花费时间最多的步骤，该步骤的目的是创建一个与求解域形状大致相同的几何模型。可以通过c a d 软件创建，完成之后导入到有限元分析软件中，也可以直接使用a n s y s 等有限元软件的前处理程序来创建。( 2 ) 几何模型离散化几何模型离散化是有限元分析最为关键的一步。这一步将连续的求解域离散化为网格状的分块区域的集合体，因此离散化过程又被形象地称为网格化( 姬s h i n g ) 。网格化后每一个小格所包围的区域称为一个单元( e l e m e n t ) ，有限个单元组成的网格被称为有限元模型。相邻的单元彼此之间只是在一些特定的点处连接在一起，这些1 2长安大学硕士学位论文点称为节点。每个节点处未知的场变量被称为自由度，是有限元方程求解的基本未知量。不同学科类型的单元，其节点具有不同的自由度。( 3 ) 建立离散系统的有限元方程这一步包括单元分析和总体分析。通过单元分析建立单元特性方程，根据相邻单元公共节点处场变量的连续性条件将单元特性关系集合为离散系统的有限元方程。集合的过程要注意节点的编号顺序。离散系统的有限元方程是奇异的线性代数方程组。( 4 ) 边界条件的引入及求解代数方程组向离散系统有限元方程组中引入边界节点处的定解条件( 边界条件) ，求解线性代数方程组，得到未知的场变量在节点处的数值。( 5 ) 计算导出物理量并进行可视化处理通过计算得到节点处的场变量值及单元内部的插值模式，得到场变量在单元内部的分布，并通过基本的求解导出其他物理量。利用可视化的后处理程序，绘制各种变量的等值线图和路径分布图等。a n s y s 中包含专门的结果后处理器p o s t l 和p o s t 2 6 ，可以用来进行各种物理量的分布图显示、变形过程动画显示及绘制变量之间的曲线关系图等实用的操作，这些后处理程序可以直观地展现了在求解域中的分布，帮助分析人员对结果快速地做出评价。有限元法的优越性如下：( 1 ) 能够分析形状复杂的结构【7 l由于单元不限于均匀的网格，单元形状有一定的任意性，单元大小可以不同，且单元边界可以是曲线或者曲面，因此分析结构可以具有非常复杂的形状。( 2 ) 能够处理复杂的边界条件在有限元法中，边界条件不需引入每个单元的特性方程，而是在求得整个结构的代数方程后，对有关特性矩阵进行必要的处理，所以对内部和边界上的单元都采用相同的场变量函数。而当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，因此边界条件的处理和程序编制非常简单。( 3 ) 能够保证规定的工程精度当单元尺寸减小或者插值函数的阶次增加时，有限元解收敛于实际问题的精确解。因此，可以通过网格加密或采用高阶插值函数来提高解的精度，从而使分析解具有一定的实用价值。( 4 ) 能够处理不同类型的材料1 3第二章结构分析有限元基础有限元法可以应用于各向同性、正交各向同性、各向异性及复合材料等多种类型材料的分析，也可以分析由不同材料组成的组合结构。此外，有限元法还可以处理随时间或温度变化的材料以及非均匀分布的材料。2 3 2 有限元分析的弹性力学基础由于本课题主要研究客车空气悬架及前段车架结构的有限元分析，其属于结构分析的范畴，因此本节主要介绍与结构分析相关的理论基础。工程领域中的结构分析问题，主要是考察实体结构在承受负载后的响应，这些响应通常可以用位移、应变、应力来表示。在弹性力学里，为了研究弹性体内某点的应力，通常假想从该点附近切出一个微小的六面体，并称之为微分体，其棱边分别平行于三个坐标轴，如图( 2 1 ) 所示。图2 1 微分体的应力和应变分量描述弹性体内任一点处微分体的应力、应变、位移以及外力之间的关系需要使用如下三类弹性力学的基本方程8 】【l o l ：( 1 ) 平衡方程弹性体受力以后仍处于平衡状态，因此其上的应力和体力在x 、y 、z 三个方向上要分别满足式( 2 1 ) 中所列平衡方程。誓+ 鲁+ 誓+ 风，= o氖却瑟一。誓+ 鲁+ 鲁协- o彘却勿一繁+ 鲁+ 鲁+ 儿= 。缸却如。”式中：q 、q 、吒微分体上沿x 、y 、z 轴方向的正应力；1 4( 2 1 )长安大学硕士学位论文乙、微分体上平行于x 、y 、z 平面的剪应力；n z 、风：微分体上沿x 、y 、z 轴方向的体力。在平衡方程中，不需要再根据力矩平衡条件建立三个力矩平衡方程，因为在微分体上，作用在两个互相垂直的面上并且垂直于该两面交线的剪应力是互等的。此外，无论微分体取自弹性体的表面还是体内，都存在三个力平衡方程。( 2 ) 几何方程几何方程用来描述几何量应变和位移之间的关系，其矩阵形式如式( 2 2 ) 所示： s =抛叙a y砂a 回a z锄a y一+ 砂舐a v8 + 秘砂a 国锄一+ 叙瑟00a瑟oa砂a苏，1ii y ( 2 2 )【一式中：甜、y 、国微分体在x 、y 、z 轴方向上的位移；毛、髟、巳微分体在x 、y 、z 轴方向上的正应变；、吃微分体在x 、y 、z 平面上的切应变。需要注意的是，式( 2 2 ) 中的方程是在无穷小的变形假设之下，由纯粹的几何关系导出的描述应变与位移之间的关系，这种应变与位移的关系是线性的。( 3 ) 物理方程在弹性力学里，应力与应变假设为线性关系，它们之间的关系可以用虎克定律来描述，如式( 2 3 ) 所示：1 5oa 一砂oa一叙a一瑟oa 一缸ooa 一砂oa 一昆幺乃易啊吩吻第二章结构分析有限元基础式中：e 材料的弹性模量；g 切变模量；泊松比。= 詈一詈一詈q 一詈+ 詈一詈乞一詈一詈+ 詈2 罟2 詈吃= 詈式( 2 3 ) 中，e 、g 、之间的关系满足式( 2 4 ) 。g ：上2 ( 1 + )( 2 3 )( 2 4 )从式( 2 - 3 ) 的前三式解出吒、q 、吒，从后三式中解出、，并考虑式( 2 4 ) 后，物理方程也可以写成矩阵形式： 盯) =简写为一e ( 1 一)( 1 + ) ( 1 2 )l lj l0ol 一l 一j ll l00l 一l 一j lj ll000。揣o0o00o00 仃) = 【d 怍)1 60l 一2 2 ( 1 一)o0o000l 一2 2 ( 1 一)( 2 5 )以乃如啊哆吩办乃以锄咖红长安大学硕士学位论文式中：【d 】= 蹦ol 一2 2 ( 1 一)oo0l 一2 2 ( 1 一)( 2 6 )【d 】为弹性矩阵，由弹性模量e 和泊松比确定，与坐标无关。综合前述可知，对任意弹性微分体可以建立3 个表述体积力和应力关系的平衡方程、6 个表述应变分量和位移分量的几何方程和6 个表述应力分量和应变分量的物理方程，这三类方程中共包含1 5 个方程以及1 5 个未知量，若给定了边界条件，问题是可解的。实际求解时并不是同时求出全部未知量，而是先求出一部分( 称之为基本未知量) ，再通过基本方程求出其他未知量。根据基本未知量选法的不同，弹性问题的解法可分为三类：( 1 ) 应力法：以应力分量作为基本未知量，此时将一切未知量和基本方程都转换为用应力表示。求得应力分量后，由物理方程求应变分量，再由几何方程求出位移分量。( 2 ) 位移法：以位移分量作为基本未知量，此时将一切未知量和基本方程都转换为用位移表示。求得位移分量后，由几何方程求应变分量，再由物理方程求出应力分量。( 3 ) 混合法：采用各点的一部分位移分量和一部分应力分量作为基本未知量，混合求解。目前，有限元法中多采用位移法求解的思想。1 72ooo丝卜oo一叫一叫。oooll南。南ooo。一叫一叫ooo一1 工一1 l第三章前双气囊空气悬架及前段车架有限元模型3 1 引言第三章前双气囊空气悬架及前段车架有限元模型空气悬架系统主要由导向钢板、空气弹簧、减振器、高度控制阀等组成。由于空气悬架能实现变刚度、变阻尼等优点，其应用范围越来越广。本章下面部分将介绍空气悬架的部件结构及工作原理。3 1 1 空气悬架的结构类型和工作原理汽车空气悬架由两部分组成：第一部分主要为结构件，包括空气弹簧、导向传力机构、减振器阻尼装置、横向稳定器及各种安装支架等；第二部分为气路和控制系统，包括空气压缩机、储气筒、空气滤清器、干燥器、限压阀、安全阀、高度控制阀组件、管路和密封件等【1 2 1 。( 1 ) 空气弹簧空气弹簧是橡胶一帘布结构的气囊，以空气