CRH2動車組空氣彈簧垂向力學性能分析

徐濤 王紅 商躍進

摘 要：對CRH2動車組空氣彈簧非線性問題進行了分析，得到了材料非線性、幾何非線性和狀態非線性在仿真分析中的處理方法。用ABAQUS有限元軟件建立了空氣彈簧的有限元模型。計算了空氣彈簧的垂向剛度，并分析了膠囊內氣體初始內壓、簾線角度和下座橡膠堆對垂向剛度的影響。有限元計算結果顯示，空氣彈簧的垂向剛度隨氣體初始內壓的增加而增加，隨簾線角度的增大而減小。

關鍵詞：有限元法；abaqus；空氣彈簧；垂向剛度

空氣彈簧屬于具有自適應性彈性元件，剛度可隨載荷的變化而適當調節[1]。目前隨著鐵道車輛輕量化、高速化發展，空氣彈簧發展與應用前景更為廣闊了[2]。我國的CRH系列動車組也均采用了空氣彈簧作為二系懸掛。在以往的研究中往往將膠囊內的氣體壓力簡單處理為膠囊內壁壓力，本文在計算過程中采用空氣單元模擬膠囊內空氣。研究以CRH2動車組空氣彈簧為研究對象，采用ABAQUS有限元軟件分析其垂向剛度。

1 空氣彈簧非線性成分分析

1.1 橡膠材料計算模型

空氣彈簧的膠囊是空氣彈簧的主要承載部件，是由交叉的多層簾線層和橡膠層組成的復合材料結構，是典型的非線性材料。空氣彈簧中的下座橡膠堆部分和膠囊部分都采用了橡膠材料。

在計算過程中假設空氣彈簧系統中橡膠材料的體積是不可壓縮的，并且在實際情況下膠囊和橡膠堆的橡膠材料實際變形不是很大，故可采用Mooney-Rivlin模型。

（1）

（2）

（3）

式中：C10，C01為超彈性材料參數；I1，I2為第1和第2應變常量；λ1，λ2，λ3為3個主拉伸方向的伸長量。

1.2 簾線的處理

研究空氣彈簧膠囊鋪層中的簾線層數為2層。簾布層作為空氣彈簧的主要承載部分，采用高強度的纖維尼龍材料。

在本文分析模型中，膠囊模型采用殼體單元，簾線層采用rebar單元，簾線層相對于膠囊子午線方向分別成8°和-8°布置，簾線層厚度為1mm，簾線橫截面面積為1mm2，在殼體內的間距為3.5mm，rebar單元材料選取16Mn鋼，楊氏模量為0.21Mpa，泊松比0.3。

1.3 氣體單元

在動車組實際運行中，簧上質量的變化改變了膠囊的形狀，進而改變了膠囊內部氣體的壓力，從而實現支反力和載荷的動態平衡，保證了乘坐舒適性。

在本文研究中，假設膠囊內的氣體為理想氣體，并且溫度是恒定不變的，即等溫變化。由理想氣體方程：

（4）

式中，P-氣壓，V-容積，n-摩爾數，R-氣體常數，T-溫度。

由于本文分析中沒有考慮節流閥的作用，所以膠囊內的氣體質量不會產生變化，從而有PV=常數。

圖1是一個流體單元，四個節點與其它單元的節點共用，隨著其它單元節點位置變化而變化。因此在計算中，由邊界節點的位移可以得到某個單元的體積變化？駐V。為氣囊內多有氣體單元選取一個參考節點，就可以得到膠囊內氣體的變化量？駐V=？駐V=■？駐Ve。[3]由式（4）就有：

（5）

式中，V0-初始橡膠容積。

1.4 接觸問題

上下蓋板和膠囊的接觸對空氣彈簧的力學性能有很大的影響，由于膠囊材料為超彈性材料，可以將上下蓋板假設為剛體，因此就將膠囊與下蓋板的接觸問題轉換成了殼單元與剛性曲面的接觸問題。

在本文分析中，把剛性曲和殼體面定義為被動體和主動體。用ABAQUS中的Tie功能，將流體單元的節點和蓋板剛性曲面的參考點固定，氣囊上沿的一圈節點和上蓋板剛性曲面的結點連接，下沿的一圈節點與下蓋板剛性曲面的結點連接[4]。

2 空氣彈簧的有限元模型

CRH2空氣彈簧的本體主要由膠囊、上下蓋板、橡膠堆構成[5]，有效直徑為528mm。圖2為CRH2空氣彈簧系統的三維模型。

圖2 CRH2空氣彈簧本體的三維模型

在ABAQUS中建立空氣彈簧的有限元模型。膠囊內氣體采用F3D4三維四節點流體單元。橡膠超彈性材料計算參數為C10=0.42，C01=0.12，D1=0.00012。橡膠堆部分采用三維八節點的實體單元，橡膠堆之間的鋼板定義為鋼材，離散模型如圖3。

圖3 空氣彈簧系統有限元模型

本模型共定義了11364個節點，4692個C3D8RH三維八節點實體單元，5202個四節點S4R殼單元，80個S3R三節點殼單元，3644個F3D4三維四節點流體單元。

在本文仿真分析過程中，第1步模擬對空氣彈簧充氣，約束住上蓋板剛性曲面和橡膠堆底面，對F3D4流體單元加初始壓力。第2步利用與第一步計算所得反作用力方向相反，大小相同的垂向力來替代上蓋板剛性曲面參考點的垂向位移約束。第3步給上蓋板鋼體施加垂向位移，得出空氣彈簧系統的垂向特性曲線。

3 分析結果

橡膠囊簾線角度為8°，垂向位移加載20mm，計算得出膠囊初始內壓為200KPa，300KPa，400KPa，500KPa四種工況下垂向位移與載荷曲線。圖4為初始內壓為200KPa，簾線角度為8°，加載位移20mm時的空氣彈簧變形圖。

圖4 初始內壓為200kPa空氣彈簧的變形圖

圖5為初始內壓分別為200kpa，300kpa，400kpa，500kpa，簾線角度為8°時，對應的垂向位移與垂向載荷曲線。由圖5可以看出，在相同的位移變化下，隨著內壓的增大載荷也增大，即隨著內壓的增大，空氣彈簧的垂向剛度也增大。

計算初始內壓為400kPa時，連線角度為4°、8°、12°、16°、20°、24° 六種工況下彈簧剛度。圖6為剛度變化曲線。

表1為初始內壓400kPa，簾線角度為8°時，有無下座橡膠堆對空氣彈簧的垂向性能的影響。從表中可以看出，橡膠堆對空氣彈簧的垂向剛度的影響率達到了5.1%。所以，下座撐橡膠堆能改善空氣彈簧的品質，從而能提高動車組的舒適性。

表1 橡膠堆對空氣彈簧垂向性能的影響

4 結束語

對CRH2動車組空氣彈簧中的各種非線性問題進行了分析，得出了他們在有限元分析中的處理方法。運用大型有限元軟件ABAQUS對空氣彈簧垂向剛度和膠囊內壓縮氣體的初始壓力、膠囊簾線角和下座橡膠堆的關系進行了分析。結果顯示，隨著初始內壓的增大，空氣彈簧的垂向剛度也增大；氣囊簾線角越大則垂向剛度越小；下座橡膠堆對垂向剛度影響率為5.1%。

參考文獻

[1]李芾，付茂海，黃運華，等.空氣彈簧動力學特性參數分析[J].西南交通大學學報，2003，24（5）：91-95.

[2]姜晉慶.結構彈塑性有限元分析法[M].北京：宇航出版社，1990，18-27.

[3]方凱.高速客車空氣彈簧力學參數的非線性有限元分析[D].北京：鐵道部科學研究院，2001.

[4]劉增華，李芾，黃運華.空氣彈簧系統垂向剛度特性的有限元分析[J].西南交通大學學報，2006，41（6）：700-704.

[5]嚴雋耄.車輛工程[M].北京：中國鐵道出版社，1999：75-81.