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摘要：应用CAD技术建立D580空气弹簧模型，利用ABAQUS非线性有限元分析软件，计算和研究了它的各项力学特性，并就影响空气弹簧横向和垂向力学性能的各种主要参数进行了讨论。
1、前言
空气弹簧是铁道车辆悬挂系统中极其关键的部件，它的力学性能极大的影响着列车运行的舒适性。
当前，我国正大力发展高速铁路运输系统，对空气弹簧无论是数量还是质量上都提出了很高的要求。本文瞄准国际先进水平，采用虚拟样机技术选取适用于运行时速在160 ~ 200km的高速客车上的D580空气弹簧为研究对象，采用CAD技术和非线性有限元分析技术，对该空气弹簧进行了较全面的静态力学性能分析，讨论了通过改变影响空气弹簧力学性能的几个主要参数，找出空气弹簧力学性能的变化规律。从与试验结果进行比较，可以看出本文采用的分析方法是切实可行的，并可为新型空气弹簧的设计提供理论依据。
2、CAD模型和有限元模型
本文所分析研究的D580空气弹簧是在国外类似产品基础上，由铁道部科学研究院机车车辆研究所自行开发的自由膜式空气弹簧。
该D580空气弹簧主要由4部分组成，分别为上盖板、支撑橡胶堆、本体橡胶胶囊和附加空气室。图1为其CAD模型，第一幅图为空气弹簧的本体总装图，第二幅为沿轴向剖开后的示意图。空气弹簧的本体通过管道连接到附加空气室。 （图片） （图片）
图1 D580空气弹簧CAD模型以及剖面图 由于空气弹簧的有限元分析比较特殊，涉及了有限元力学分析中的各类非线性问题。并要对空气弹簧中的气体进行适当的模拟，这样才可能得到有价值的结果。考虑到本问题的特殊性，所使用的有限元分析软件必须是能很好的处理各类非线性问题，并且应该有丰富的单元类型来模拟复杂的模型，经过慎重的筛选，本文采用了当前国际广泛应用的ABAQUS有限元分析软件。
因为空气弹簧模型具有轴对称结构，本文主要研究空气弹簧的垂向和横向力学特性，所以将空气弹簧沿轴向剖开，取一半建立有限元模型。（图片）
图2 D580空气弹簧的有限元模型 3、D580空气弹簧ABAQUS计算模型
将空气弹簧的模型分为四部分：胶囊部分，橡胶堆部分，流体部分，上、下盖板刚体部分。具体见图3（图片）
1. 流体单元部分，2.橡胶囊，3.上、下刚体盖板，4.下座橡胶堆
图3D580空气弹簧ABAQUS计算模型 4、空气弹簧的有限元计算结果与分析
图4为附加气室容积为70升，胶囊帘线排列角度为8°，空簧工作高度为210mm。胶囊内压500KPa的工况下，计算得到的空气弹簧垂向位移-载荷计算结果。（图片） （图片）
图4 垂向位移作用下的应变云图和应力Von Mises云图 当胶囊内压从200~600Kpa时，相应的载荷-位移变化曲线见图5。（图片） （图片）
图5 横向位移作用下的应变云图和应力Von Mises云图 从图5可知，垂向的位移和载荷大致成正比关系。随胶囊内压的变化，垂向刚度不断增大，所以，D580空气弹簧的垂向性能是比较稳定的，适应载荷变化的范围比较大。
相应的对D580空气弹簧的模型也进行横向的力学性能分析。图5为计算得到的应变云图和应力Von Mises云图。计算得到的空气弹簧横向位移-载荷计算结果，相应的变化曲线如下，（图片）
图6 横向位移-载荷计算结果曲线 从图6可以看到D580空气弹簧的横向力学基本性质：随着横向位移的增大，空气弹簧的反作用力加大，当位移在50mm以下时，基本呈线性。但是，当横向位移超过50mm时，空气弹簧的横向刚度开始减小。另外，当胶囊内压增大时，空气弹簧的横向刚度也增大，这是与垂向性能一致的，从图7中可以看出，空气弹簧的垂向刚度随胶囊内压的变化不大。
5、计算结果和分析
垂向力学性能计算和相应试验的结果，具体工况为胶囊内压300 kPa、工作高度210 mm。
相同工况下横向力学性能计算和相应试验的结果。
根据数据分析，计算结果和试验结果比较吻合，所以分析的方法是合理的。在此基础上，本文考虑了几个空气弹簧力学性能的主要参数对它的影响，希望作为设计新型空气弹簧的理论依据。通过对相同模型帘线角度的改变，得到了6和图7中的曲线。（图片） （图片）
图7帘线角对横向刚度的影响 D580上盖板裙边的角度对空气弹簧横向力学性能有较大的影响。
当有支撑橡胶堆时，垂向刚度为474 kN/m，横向刚度为341.8 kN/m；当没有支撑橡胶堆时，垂向刚度为494 kN/m，横向刚度为385.8 kN/m。可以看出橡胶堆对空气弹簧的垂向和横向刚度的影响分别达到了4.2 %和12.9 %。
从计算的结果并可以看出，胶囊帘线角度、上盖板裙边角度、附加气室的容积和支撑橡胶堆是影响空气弹簧力学性能的几个主要因素。
6、结论
本文对空气弹簧的非线性有限元分析主要有以下结论：
空气弹簧处于正常工作高度时，胶囊内压增大，空气弹簧横向和垂向的反作用力也加大，其横向和垂向的刚度也同时加大。
裙边的角度从小到大时，空气弹簧的垂向刚度会很缓慢地变小，而横向刚度会急剧的增大，因此调整上盖板裙边角度是改变空气弹簧横向力学性能的非常有效的途径。
空气弹簧附加气室的容积对垂向刚度有较大影响，而对横向刚度影响较小。当附加气室容积比较小时，垂向刚度随附加气室容积的增大而减小得很剧烈，但随着气室容积的增大，其影响就变得越来越不明显了。
空气弹簧胶囊的帘布夹层帘线的方向、粗细、排列密度和帘布的层数一起决定了帘布夹层的力学性能。计算结果表明，当帘线角度从0°到45°时，横向刚度不断减小，垂向刚度不断加大。
D580空气弹簧的支撑橡胶堆对空气弹簧的性能也是很关键的。一方面，橡胶堆与空气弹簧胶囊耦合成串连弹簧，通过合理选择两者刚度可以为车体提供理想的悬挂刚度，尤其是空气弹簧的横向刚度。另一方面，橡胶堆还有安全保护功能，当空气弹簧胶囊破裂或产生严重泄漏等意外情况时，橡胶堆可暂时地起到支撑和减振的作用，保障了客车的运行安全。
参考文献：
[1] ABAQUS/Standard User’s Manual 6.1-1, HKS Co. Ltd., 1990-1997
[2] 赵洪伦，运用Marc软件进行高速客车空气弹簧非线性横向刚度分析，MSC用户年会文集，2000
[3] 郭荣生，空气弹簧悬挂的设计与计算，交通部四方车辆研究所，1993
[4] Fursdon, P. M. T., Modelling a Cord Reinforced Component with ABAQUS, 6th UK ABAQUS User Group Conference Proceedings, 1990.
作者： 方凯 王成国 程慧萍 孟广伟 铁道部科学研究院机辆所
3/14/2005
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