客車空氣懸架互聯(lián)管路的U型彎管模態(tài)分析

摘? 要：某互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)的互聯(lián)管路由于高速氣流的沖擊，極為容易出現(xiàn)共振，從而造成異響，損壞管路系統(tǒng)。其中U型管由于出現(xiàn)兩次折彎，最容易形成氣流沖擊，出現(xiàn)共振的可能性最大。為了研究U型彎管不同壁厚的特性，基于Siemens NX對(duì)U型管進(jìn)行建模，并進(jìn)行了模態(tài)分析，從分析結(jié)果看，若U型管的固有頻率較高，則發(fā)生共振的可能性較小。此外，為了研究壁厚對(duì)U型彎管動(dòng)態(tài)特性的影響，分別對(duì)0.8mm和0.3mm兩種壁厚的彎管進(jìn)行了模態(tài)分析。結(jié)果表明，壁厚對(duì)彎管的動(dòng)態(tài)特性影響顯著。

關(guān)鍵詞：空氣懸架;互聯(lián)管路;模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U463.33? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）19-0167-04

Abstract：Due to the impact of high-speed air flow，the interconnection pipeline of an interconnected air suspension system is very prone to resonance，resulting in abnormal noise and damage to the pipeline system. Among them，the U-tube is most prone to air shock due to its double bending，and the possibility of resonance is the greatest. In order to study the characteristics of different wall thicknesses of u-bend tubes，modeling of U-bend tubes was carried out based on Siemens NX，and modal analysis was conducted. According to the analysis results，the natural frequency of U-bend tubes was relatively high，and the possibility of resonance was relatively small. In addition，in order to study the influence of the wall thickness ratio on the dynamic characteristics of U-bend pipes，modal analysis was conducted for two types of bending pipes with wall thickness of 0.8mm and 0.3mm respectively. Results the dynamic characteristics of the curved pipe were obviously affected by the surface and wall thickness.

Keywords：air suspension;interconnection pipeline;modal analysis

0? 引? 言

空氣懸架相比板簧懸架具有更好的舒適性、安全性和道路友好性，是歐美校車的標(biāo)配，但在我國還沒有完全普及?；ヂ?lián)空氣懸架是一種更加先進(jìn)的空氣懸架形式，通過互聯(lián)管路將同一個(gè)車橋上的兩個(gè)空氣彈簧連接起來，實(shí)現(xiàn)空氣互通，從而使兩側(cè)空氣彈簧形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的氣壓平衡狀態(tài)。這種空氣的流動(dòng)由互聯(lián)管路中的電磁閥來控制。當(dāng)空氣流通時(shí)，速度極快，容易形成沖擊，可能會(huì)造成共振，因此，本文研究的目的是考慮U型管在裝夾狀態(tài)下的固有特性。

對(duì)互聯(lián)空氣懸架以及互聯(lián)管路及其零部件的研究在國內(nèi)外都有發(fā)現(xiàn)，如2009年，德國的Friedrich等[1]研究了互聯(lián)管路的內(nèi)徑和空氣懸架的減震效果，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在正相關(guān)關(guān)系。江蘇大學(xué)的李仲興等[2]則對(duì)橫向互聯(lián)空氣懸架的互聯(lián)管路進(jìn)行了模態(tài)分析，研究了橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)中互聯(lián)管路部件的共振問題?；ヂ?lián)管路是實(shí)現(xiàn)空氣彈簧互聯(lián)的關(guān)鍵部件，前人對(duì)其研究主要集中在管路內(nèi)徑對(duì)懸架性能的影響上，忽略了互聯(lián)管路部件自身結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，路面的不平整對(duì)車輛的振動(dòng)激勵(lì)是時(shí)時(shí)刻刻存在的，氣流的沖擊也是激振源，當(dāng)激振頻率與互聯(lián)管路部件的固有頻率相近時(shí)會(huì)引起互聯(lián)管路的共振，在產(chǎn)生噪聲的同時(shí)也會(huì)損壞零部件[3，4]。

1? 模型前處理

在Siemens NX 12.0中建立U型管的三維模型，模型包括一個(gè)橫向管，兩根豎向管和兩個(gè)裝夾段，如圖1所示。該模型較為光順，不需要進(jìn)行幾何清理。

在完成三維建模以后，進(jìn)入NX的前后處理模塊?？紤]到彎管壁厚較薄，因此，采用板殼單元進(jìn)行分析。[5，6]

模型前處理設(shè)置如下[7]：

求解器：NX Nastran;分析類型：結(jié)構(gòu);解算類型：SOL103實(shí)特征值;

材料：AISI Streel_1005，其屬性為：密度7.872e- 06kg/mm3，楊氏模量2×108kPa，泊松比0.25;

殼單元物理屬性：厚度為0.5mm，慣性比彎曲系數(shù)為1，橫向剪切厚度比為0.833333;

單元類型：CQUAD4;單元大小：1mm;自動(dòng)映射網(wǎng)格劃分;單元總數(shù)：5853;

邊界條件：在左右裝夾處施加固定約束，位移坐標(biāo)系選擇圓柱坐標(biāo)系，固定所有自由度;

所有模型前處理完成后得到U型彎管的有限元模型，如圖1（b）所示。

2? 求解結(jié)果及分析

模型設(shè)置以后進(jìn)行求解，解算類型設(shè)為SOL103實(shí)特征值，特征值方法選Lanczos，計(jì)算前五階模態(tài)，不設(shè)置頻率上下限。求解結(jié)果如圖2所示。

從圖2的云圖可以看出，前兩階振型的變形很小，基本上不會(huì)影響管路系統(tǒng)的正常工作。U型扭力桿模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

3? 不同壁厚的U型彎管模態(tài)分析

為了研究壁厚對(duì)U型彎管的動(dòng)態(tài)特性作用是否顯著，分析壁厚0.8mm和0.3mm下的固有頻率和振型，在Siemens NX中只要修改FEM模型中的單元壁厚屬性即可，其余設(shè)置保持不變，極大地提高了分析的效率。其結(jié)果如圖3和圖4所示。

從表2可以看出，隨著壁厚的變小，各階固有頻率都有所降低，可以看出壁厚對(duì)U型彎管的動(dòng)態(tài)特性影響顯著。壁厚0.3mm和0.5mm的振型基本相似，壁厚增加到0.8mm時(shí)扭動(dòng)變形幅度要明顯小很多，說明增加壁厚對(duì)提高彎管的動(dòng)態(tài)特性還是具有積極效果的。但每一階固有頻率都遠(yuǎn)高于氣流沖擊頻率，因此，可考慮將U型彎管的壁厚降低到0.3mm。

4? 結(jié)? 論

U型彎管的結(jié)構(gòu)特色決定了其受氣流沖擊的影響很大，使用金屬結(jié)構(gòu)可以讓彎管的固有頻率遠(yuǎn)離氣流沖擊頻率，從而有效避免共振的發(fā)生。對(duì)于結(jié)構(gòu)比較規(guī)律的薄壁結(jié)構(gòu)，研究其壁厚對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響可以通過設(shè)置殼單元的壁厚來實(shí)現(xiàn)快速建模和分析，減少了大量的重復(fù)性工作。

參考文獻(xiàn)：

[1] WOLFMONHEIM F，S CHUMACHER M，F(xiàn)RANTZEN M，et al. Interlinked air suspension systems -the influence on ride comfort in testing and simulation [J].ATZ Auto Technology，2009，9（3）：58-61.

[2] 李仲興，管曉星，郭子權(quán)，等.橫向互聯(lián)空氣懸架互聯(lián)管路模態(tài)分析 [J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，42（6）：2008-2014.

[3] 王斌華，呂彭民.五節(jié)臂混凝土泵車的有限元建模與模態(tài)分析 [J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，36（5）：735-739.

[4] JIANG H，QIAN K，JU L，et al. Simulation and Experimental Study on Static and Dynamic Characteristics of Laterally Interconnected Air Suspension [J].Applied Mechanics and Materials 2014，577：273-276.

[5] 黃志超，程俊，管昌海，等.汽車扭力梁后懸架模態(tài)分析 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2018，34（1）：107-112.

[6] 杜平，胡夏夏.管路系統(tǒng)的模態(tài)分析 [J].輕工機(jī)械，2012，30（3）：29-31+35.

[7] 洪如瑾，陸海燕.NX CAE高級(jí)仿真流程 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

作者簡介：項(xiàng)菲菲（1988-），女，漢族，江西宜春人，講師，碩士，研究方向：汽車安全技術(shù)。