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非线性变刚度橡胶悬架结构灵敏度分析与参数优化孙蓓蓓,孙庆鸿,许志华(东南大学机械工程系.南京 2 0 9 ) 10 6
摘
要:针对工程车辆变刚度橡胶悬架,在建立橡胶弹簧有限元参数化模型的基础上,通过橡胶弹簧的结构参数对轴向变形量的灵敏度分析,掌握不同载荷下结构参数变化对刚度影响的规律,定确最敏感的设计变量.以整车悬架动态参数优化获得的最佳非线性刚度特性曲线为优化目标,实现了新型变刚度橡胶弹簧结构参数的优化设计 . 关键词:悬架;胶弹簧;非线性;刚度;有限元;参数优化橡中啊分类号:03 3 3 2 0 4 .;U 6文献标识码:A 文章编号:1 0 -0 ( 0 6 0—0 0-0 9 14 20)2 01 4 0 3Stu t r l a a e e p i ia i n en ivi n l s so b er rn or r c u a r m t ro tm z ton a d s st t a a y i fr b i g f p i y u spn l e rr b er us e s on on i a b n u s p n i
SUN B i e, e- iSUN Qig h n XU i u b n - o g, Zh- a h
( p r n f c a i l n ie r g S uh a t nv ri, a j g2 0 9, ia De at t h nc gn ei, o te s i st N ni 1 0 6 Chn ) me o Me aE n U e y『 nAb ta t Th ar s r c: e p ameer e onie nt - lmen d l f h b p n whc s d a e t i d n l ar i ee z n i f e tmo e e r er r g, ihu e st o t ub s i h manea t o o e tnac n t cinv il u p n in h sb e ul Th en ivt i lsi c mp n n c i o sr t ehces s e so, a e n b i. es st i u o t i y an lsso tu t r l ar met fr bb p ig wase por d t n h a o c ay i fs r c u a p a ero u ers r n x l e o f d t e lw fea h i p a t r Sc n r u i o sin s nv ri l r ci, n h ar me e ' o ti t b ont t e s i e c e t f t a di on a d t e mos en iv esgn ts st e d i iv ra l a i b e was f n oro t i a i n. e op i u n nl e t n s u v f r b er ou d f p i z t m o Th t m m o i ars i e s c r e o u b n f
s s en inwa ~ ie h o g ew h e v il y amisopi z t n Th t cur u p so sob n dt r u h t ol ehce d n h c tmia o . e sr t e i u p r me e so b e p n a e b e p i z dfr ufl gt eo t u n nie r t n s a a t r f b r r gh v e no t u r s i mie lln pi m o l a i e s o fii h m n sfCUr e . v
Ke ywor: u p so; b e p n n l e; t n s; A; a amee p i z t n ds s s en in r b rs d g; oni ar si e u n f FE p r tro t a i mi o
0引言为使整车在空载至满载的不同载荷状态下固有频率变化很小,而保持稳定和良好的行驶平顺性,从 工程车辆的悬架系统多采用可变刚度结构 .传统的
由于橡胶弹簧在变形过程中表现出强的几何非线性,材料非线性和接触非线性,现有的适用于橡
胶零件设计的闭型分析方程式只适用于几何形状简
可变剐度悬架机构常采用主,副钢板弹簧形式 .
近年来,具有非线性变刚度特性的橡胶弹簧在工程车辆的悬架系统中已开始得到应用,这种新型变刚度橡胶悬架具有舒适性好,自重轻,免润滑,通过性
单的橡胶零件,并假设零件变形后形状也相当简单, 直观及可描述 .因此,大部分形状复杂的橡胶元件的研制是根据试验和经验所取得的规律进行的,无法进行橡胶弹簧的结构参数优化,而造成了设计从水平低,产品开发周期长以及人力和物力的浪费 .本文以某工程车辆变刚度橡胶悬架的橡胶弹簧为具体对象,用试验与有限元相结合的方法,采对其进行参数化建模和非线性刚度特性分析,过橡胶弹簧通的结构参数对轴向变形量的灵敏度分析,掌握了不同载荷下结构参数变化对刚度影响的规律,确定了最敏
好等优点而越来越受到工程车辆制造厂商的重视 .工程车辆采用变刚度橡胶悬架后,可显著地缓和冲击,减少颠簸,从而改善驾驶员的劳动条件和提高行车车速 .t■日一:20 -82 0 50—5
薹盒焉目:国家自然科学基金资助项目 (0 7 0 0;江苏省自然科学基金资助项目 ( K 0 3 0 ) 5554 ) B 2 0 2 2作者膏俞:孙蓓蓓 (9 8,, 16一)女南京,东南大学机械系副教授,博士,主要从事车辆动力学,机械动态分析与控制 .振动与噪声控制等方面的教学与研究工作.
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务I感的设计变量.以通过整车动力学建模和悬架参数动态优化获得的最佳非线性刚度特性曲线为优化目标, 实现了新型变刚度橡胶弹簧结构参数的优化设计,这对于提高我国工程车辆悬架的设计水平及关键件的国产化率具有重要意义 .
訇化 参数的灵敏度分析定义橡胶弹簧结构参数灵敏度为在一定载荷下弹簧的变形量对结构参数的变化率 .因橡胶弹簧刚度的非线性特同载荷下的灵敏度不弗靳■ hn
1橡胶弹簧有限元参数化模型的建立为了对橡胶弹簧结构进行参数优化,从而设计
出适应不同载荷状态的橡胶悬架,需要建立有限元参数化模型 .橡胶弹簧的结构如图 1示,它直接所安装在前桥和前车架之间,以维持正
性,同一结构参数在不图 3非线性刚度特性曲线
确的行驶高度并吸收来自路面不平度的冲击 .其中上下金属衬套分别为橡
同,故须在不同载荷下求出相对应的灵敏度,以掌握结构参数变化对橡胶弹簧刚度影响的规律,从而确定最敏感的结
构参数,为优化设计提供依据 .
由于橡胶弹簧外形尺寸为装配尺寸不宜改变, 故定义图 1示的结构参数为设计变量,其中 h表所 1示橡胶弹簧中心部位上下凹陷的深度lh表示钢衬 2套包围橡胶弹簧的高度,r表示中腰的半径,r表 l 2示凹陷开口处的半径 Ir表示凹陷底部的半径 IR1 3 表示凹陷底部的过渡圆角半径, 2示中腰的过渡 R表圆角半径 . 设橡胶弹簧的原结构尺寸为分析参考点,即=h,h,r,r,r,R1 2】【9 1,4 .,【1 2 l 2 3,R= 3,5 . 45 5
胶弹簧与前车架和前桥的连接件 .由于橡胶弹簧结构和载荷 (向工作载垂荷 )都是轴对称的,图 1橡胶弹簧的结构
因此可取一截面,
对它进行轴对称分
析 .橡胶材料属于不可压缩型超弹材料,故选用
7 .,3 .,1,1】单位:in,参考点处的目标 75 85 0 0( n ) l函数也就是橡胶弹簧的变形量为:
HYPE 6超弹单元 .金属衬套为 4 R5 5钢,选用P A E1 2元 .使用 A Y L N 8单 NS S参数化语言 A D P L,
)¨= )参考点目标函数对设计变量的灵敏度为:r… . .]
( 1 )
以橡胶弹簧的几何尺寸为参数,建立有限元接触模型如图2示 .所对橡胶弹