摘自 中国商用车专业门户网站
汽车悬架空气弹簧的设计理论和现代设计方法
针对汽车悬架空气弹簧的设计理论和现代设计方法作了细致深入的研究，基于网格理论、薄膜理论、薄壳理论进行了橡胶气囊结构受力分析，建立了橡胶气囊静态平衡理论理论和结构分析理论，探讨了空气弹簧的设计理论；以非线性有限元理论为基础，对设计实例的空气弹簧进行了应力应变场模拟、力学性能仿真分析、灵敏度分析及结构优化，并最终建立了空气弹簧的现代设计方法体系，最后进行了比较深入的实验研究。通过本文的研究，有以下几个方面的研究结论和成果： （ 1 ）以网格理论、薄膜理论为理论指导，在简化空气弹簧橡胶气囊模型的基础上开展其结构力学研究，推导出橡胶气囊薄膜周向、径向以及法向力平衡微分方程，在进一步简化的基础上获得橡胶气囊平衡轮廓方程、帘线力、子口钢丝圈应力表达式。这些为以后空气弹簧的结构设计和强度校核提供了理论依据，并且这些理论公式跟材料参数无关，适用于任何材料的橡胶气囊。
（ 2 ）以薄壳理论为基础，推导出空气弹簧承载力与空气弹簧结构参数的显式表达式；推导出考虑橡胶气囊刚度的空气弹簧刚度公式，这为下一步进行解析预测气囊用橡胶复合材料的刚度对空气弹簧总刚度贡献率奠定了基础。基于层合板理论和薄膜理论给出了橡胶气囊应力、应变和变形与薄膜内力的本构关系，这些为下一步橡胶气囊在充气和工作过程中产生的应力、应变和变形解析预测奠定了基础。
（ 3 ）由于空气弹簧结构设计理论总是要在不同程度上对空气弹簧的结构、材料等简化的基础上推导出来的，为了验证设计理论的正确性，试验或其他理论上进行验证或修正也是不可缺少的。为此，在 Instron8800 电液伺服系统的基础上自行开发研制了空气弹簧测试系统，试验测试某一空气弹簧的弹性特性、有效面积和容积。试验结果表明：理论预测与试验结果基本吻合。
（ 4 ） 阐述了空气弹簧有限元分析中产生的几何、材料、接触三重非线性特性，重点分析了接触基本理论、接触条件的判定和收敛准则。空气弹簧内部气体、囊壁与气体之间的气固耦合以及工作行程中气体体积进行了详细推导。介绍了有限元模型中的橡胶材料、橡胶帘线复合材料模型。为了验证空气弹簧有限元理论的有效性，用有限元软件 ABAQUS 预测 Conti N715 空气弹簧载荷特性曲线，并与试验测试结果对比研究。研究结果表明， N715 空气弹簧载荷特性用有限元法预测和实验测试结果一致，用上述方法建立的有限元模型是准确可靠的。
（ 5 ）用有限元软件 ABAQUS 分析了各因素对空气弹簧内、外特性的影响。具体计算了 内腔容积、垂向载荷 特性 、气囊体应力、径向变形、轴向变形、帘线力等。研究发现， 帘线力总体呈对称布置，在两端子口附近，帘线力先剧烈下降，甚至出现负值，后急剧上升，急剧波动，在中部达到最大值。 比较全面地讨论了初始气压、帘线角、帘线密度和帘线层数等因素对它们的影响。对比发现，帘线角和帘线密度结构参数对它们影响敏感。分析了空气弹簧在不同频率正弦激励下的动特性，求解了空气弹簧在设计高度下的动刚度值，绘制了动刚度频率特性曲线。研究发现，随着初始气体压力的增加，空气弹簧的最小动刚度会从低频向高频率发生后移。
（ 6 ）用 ABAQUS/DSA 分析技术，分析了橡胶气囊结构参数对空气弹簧橡胶气囊截面单元的应变能密度的影响灵敏程度。以减小单元应变比能有优化目标，进行橡胶气囊结构优化，对优化的空气弹簧有限元模型重新计算，结果表明：应变能密度确实降低，力学性能没有改变，结构强度也满足工程要求；设计灵敏度分析理论以及基于灵敏度分析的结构优化方法适用于空气弹簧。
（ 7 ）在综合了空气弹簧结构设计理论、非线性有限元分析方法、灵敏度分析和结构优化的基础上，提出了空气弹簧现代设计方法，并用此方法设计出某大客车悬架用空气弹簧。结果证明，本文所提出的现代设计方法是切实可行的。
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汽车悬架空气弹簧的设计理论和现代设计方法
针对汽车悬架空气弹簧的设计理论和现代设计方法作了细致深入的研究，基于网格理论、薄膜理论、薄壳理论进行了橡胶气囊结构受力分析，建立了橡胶气囊静态平衡理论理论和结构分析理论，探讨了空气弹簧的设计理论；以非线性有限元理论为基础，对设计实例的空气弹簧进行了应力应变场模拟、力学性能仿真分析、灵敏度分析及结构优化，并最终建立了空气弹簧的现代设计方法体系，最后进行了比较深入的实验研究。通过本文的研究，有以下几个方面的研究结论和成果： （ 1 ）以网格理论、薄膜理论为理论指导，在简化空气弹簧橡胶气囊模型的基础上开展其结构力学研究，推导出橡胶气囊薄膜周向、径向以及法向力平衡微分方程，在进一步简化的基础上获得橡胶气囊平衡轮廓方程、帘线力、子口钢丝圈应力表达式。这些为以后空气弹簧的结构设计和强度校核提供了理论依据，并且这些理论公式跟材料参数无关，适用于任何材料的橡胶气囊。
（ 2 ）以薄壳理论为基础，推导出空气弹簧承载力与空气弹簧结构参数的显式表达式；推导出考虑橡胶气囊刚度的空气弹簧刚度公式，这为下一步进行解析预测气囊用橡胶复合材料的刚度对空气弹簧总刚度贡献率奠定了基础。基于层合板理论和薄膜理论给出了橡胶气囊应力、应变和变形与薄膜内力的本构关系，这些为下一步橡胶气囊在充气和工作过程中产生的应力、应变和变形解析预测奠定了基础。
（ 3 ）由于空气弹簧结构设计理论总是要在不同程度上对空气弹簧的结构、材料等简化的基础上推导出来的，为了验证设计理论的正确性，试验或其他理论上进行验证或修正也是不可缺少的。为此，在 Instron8800 电液伺服系统的基础上自行开发研制了空气弹簧测试系统，试验测试某一空气弹簧的弹性特性、有效面积和容积。试验结果表明：理论预测与试验结果基本吻合。
（ 4 ） 阐述了空气弹簧有限元分析中产生的几何、材料、接触三重非线性特性，重点分析了接触基本理论、接触条件的判定和收敛准则。空气弹簧内部气体、囊壁与气体之间的气固耦合以及工作行程中气体体积进行了详细推导。介绍了有限元模型中的橡胶材料、橡胶帘线复合材料模型。为了验证空气弹簧有限元理论的有效性，用有限元软件 ABAQUS 预测 Conti N715 空气弹簧载荷特性曲线，并与试验测试结果对比研究。研究结果表明， N715 空气弹簧载荷特性用有限元法预测和实验测试结果一致，用上述方法建立的有限元模型是准确可靠的。
（ 5 ）用有限元软件 ABAQUS 分析了各因素对空气弹簧内、外特性的影响。具体计算了 内腔容积、垂向载荷 特性 、气囊体应力、径向变形、轴向变形、帘线力等。研究发现， 帘线力总体呈对称布置，在两端子口附近，帘线力先剧烈下降，甚至出现负值，后急剧上升，急剧波动，在中部达到最大值。 比较全面地讨论了初始气压、帘线角、帘线密度和帘线层数等因素对它们的影响。对比发现，帘线角和帘线密度结构参数对它们影响敏感。分析了空气弹簧在不同频率正弦激励下的动特性，求解了空气弹簧在设计高度下的动刚度值，绘制了动刚度频率特性曲线。研究发现，随着初始气体压力的增加，空气弹簧的最小动刚度会从低频向高频率发生后移。
（ 6 ）用 ABAQUS/DSA 分析技术，分析了橡胶气囊结构参数对空气弹簧橡胶气囊截面单元的应变能密度的影响灵敏程度。以减小单元应变比能有优化目标，进行橡胶气囊结构优化，对优化的空气弹簧有限元模型重新计算，结果表明：应变能密度确实降低，力学性能没有改变，结构强度也满足工程要求；设计灵敏度分析理论以及基于灵敏度分析的结构优化方法适用于空气弹簧。
（ 7 ）在综合了空气弹簧结构设计理论、非线性有限元分析方法、灵敏度分析和结构优化的基础上，提出了空气弹簧现代设计方法，并用此方法设计出某大客车悬架用空气弹簧。结果证明，本文所提出的现代设计方法是切实可行的。