CN110889248B - 空气弹簧疲劳寿命预测平台及其预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气弹簧疲劳寿命预测平台，由ISIGHT集成空气弹簧参数化模型、空气弹簧有限元模型、帘线橡胶复合材料伤损模块及雨流计数模块而成。本发明基于ISIGHT软件集成空气弹簧参数化模型、空气弹簧有限元模型，帘线橡胶复合材料损伤模块及雨流计数模块，进行虚拟联合仿真，此平台分析得到空气弹簧的疲劳寿命，与实际试验相比减少了成本与时间；分析得到的空气弹簧的薄弱部分，也为空气弹簧结构优化提供了理论基础，费用低，节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及汽车悬架系统技术领域，尤其涉及空气弹簧疲劳寿命预测平台及其预测方法。
背景技术
随着科学技术的快速发展和人民生活水平的提高，人们对汽车乘坐舒适性提出了更高的要求。如何应用汽车悬架系统隔离汽车行驶过程中不平路面的冲击，已成为提高汽车乘坐舒适性的热点问题。而空气弹簧应用于汽车悬架具有良好的减振性能，已经广泛应用于高等级客车、载重汽车和高档乘用车。空气弹簧是决定空气悬架使用寿命的关键部件，作为空气弹簧的关键部件帘线橡胶复合材料硫化而成的橡胶气囊，因工况复杂且变形大，使得其又成为决定空气弹簧疲劳寿命的关键部件。与金属材料相比，帘线橡胶复合材料缺乏成熟的损伤理论指导，难以对其疲劳寿命进行理论分析。另外，空气弹簧疲劳试验，优点是比较直接，缺点是测试周期长、费用高且是破坏性的。随着现代计算机硬件技术及其软件的快速发展，给空气弹簧的在线寿命监测与管理成为可能，采用试验相对于真实试验，可以减少试验周期，试验成本也不高。
在工程技术上，对产品疲劳寿命评估有多种方法。譬如专利号CN101393079A公开了一种汽车车身结构疲劳寿命预测系统，可以为实车试验提供参考依据，根据路谱拟合模块建立场地试验的组合模块；车身载荷谱采集模块建立整车多体刚柔耦合模型，提取车身-底盘连接通道处载荷历程，作为车身激励的输入；车身结构动态响应分析模块建立车身有限元模型，获得车辆在复合路谱激励下车身由重力产生的静态应力和路面激励产生的动态应力变化历程；车身低疲劳寿命危险位置辨识模块通过S-N方法和迈纳线性累计损伤模型，快速寻找疲劳寿命低的危险位置；车身结构疲劳寿命预测模块准确预测危险位置的疲劳寿命。通过上述分析，与帘线橡胶复合材料相比，用于制造车身的金属材料的有关损伤理论非常成熟，可以借鉴的方法较多。
又譬如文献《基于虚拟疲劳试验的城市轨道交通车辆空气悬架寿命评估方法》公开报道了以上海地铁空气弹簧为研究对象，通过SIMPACK多体动力学建模仿真软件建立了城市轨道交通车辆多体动力学模型，分析得到在车辆运行过程中空气弹簧载荷数据，应用ABAQUS有限元分析软件获得空气弹簧结构应力响应，最后应用S-N(应力-疲劳寿命)数据以及动力学得到的载荷谱，对空气弹簧循环寿命仿真分析，获得空气弹簧疲劳寿命。
通过上述分析，可以发现存在以下问题：与汽车路面谱相比，城市轨道路面谱简单得多，由于橡胶气囊复合材料特殊性和工况复杂性，使得橡胶气囊决定空气弹簧疲劳寿命的关键部件。未考虑橡胶气囊的帘线橡胶复合材料的许用强度随工作循环次数的增加而下降。
发明内容
发明目的：本发明提供了一种空气弹簧疲劳寿命预测平台及其预测方法，该预测平台及预测方法能准确预测空气弹簧的疲劳寿命。该方法从实验数据出发，提高了空气弹簧疲劳寿命的预测精度，有助于在设计阶段对空气弹簧的结构改进，解决了现有技术中未考虑橡胶气囊的帘线橡胶复合材料的许用强度随工作循环次数的增加而下降的问题。
技术方案：本发明的空气弹簧疲劳寿命预测平台，由ISIGHT集成空气弹簧参数化模型、空气弹簧有限元模型、帘线橡胶复合材料伤损模块及雨流计数模块而成。
所述空气弹簧参数化模型是基于UG软件创建，并能够通过给参数赋值后构建空气弹簧三维模型。
所述空气弹簧有限元模型是由ABAQUS软件建立，并能够通过数值计算获得橡胶气囊应力和应变云图。
由于所述空气弹簧其疲劳寿命取决于橡胶气囊的帘线橡胶复合材料，所述的帘线橡胶复合材料伤损模块用于描述帘线橡胶材料的许用强度随工作次数的本构关系。
所述雨流计数模块用于空气弹簧寿命消耗的在线计算。
所述空气弹簧有限元模型通过施加初始气压及载荷谱获得当前循环工况下的橡胶气囊应变和应力。
所述帘线橡胶复合材料伤损模块是基于帘线橡胶复合材料的轴向拉伸、周向拉伸和屈曲复合工况循环实验数据建立起额定载荷作用下的损伤数学模型，表征帘线橡胶复合材料许用强度随循环次数的本构关系，并用C语言编制而成。
所述帘线橡胶复合材料伤损模块利用卷积神经网络稀疏化帘线橡胶复合材料实验数据，并对压缩后的实验数据应用雨流计数法，编制空气弹簧的载荷谱，并用C语言编制而成。
所述帘线橡胶复合材料伤损模块通过卷积神经网络运算将橡胶复合材料轴向、周向拉伸和屈曲三向循环实验数据稀疏化，并用C语言编制而成。
基于上述预测平台的空气弹簧疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)基于空气弹簧的盖板、橡胶气囊及活塞零件参数化模型，应用UG软件将零件结构参数赋值，依次建立起橡胶气囊、盖板及活塞的三维模型，通过虚拟装配得到空气弹簧模型，并以stp格式导出。
(2)ABAQUS软件导入空气弹簧模型，将活塞、盖板、橡胶气囊和腔内气体控制体一一定义，分别进行网格划分，活塞和盖板视为刚体，帘线橡胶复合材料通过橡胶和rebar来模拟，cavity模拟气体控制体，建立非线性有限元模型，加载进行数值计算，获得橡胶气囊的应力及应变分布。
(3)帘线橡胶复合材料伤损模块根据空气弹簧所经历的工作循环次数，确定当前橡胶气囊的许用强度。
(4)雨流计数模块应用雨流计数对橡胶气囊应力进行循环次数计算。
(5)决策，如果橡胶气囊所受最大应力不小于许用应力，则橡胶气囊发生失效，终止计算，空气弹簧疲劳寿命为上一次所记录的工作次数；最大应力小于许用应力，则返回步骤(1)，给循环次数加1，根据空气弹簧新的结构参数重新建立三维模型，进行下一个循环计算，以此不断循环，直到疲劳失效为止。
上述预测方法：一是建立空气弹簧三维模型，空气弹簧结构参数化模型是基于UG软件构建的，建立模型时，调用盖板、橡胶气囊、活塞等零件结构化模型，并给结构参数赋数值，得到空气弹簧三维模型，并将其导出。
空气弹簧有限元模型是基于空气弹簧三维模型应用ABAQUS软件将盖板及活塞定义为刚体、橡胶气囊定义为橡胶基体及帘线rebar和腔内气体定义为cavity，划分网格并设置物性参数，构建空气弹簧有限元模型，通过数值计算可以获得橡胶气囊的应力及应变。
雨流计数模块中首先将有限元计算得到的数据压缩成便于计取循环数的数组，其次通过一次雨流计数、首尾对接及二次雨流计数等步骤获得橡胶气囊的应力谱，最后通过橡胶当前应力与许用应力研判橡胶气囊是否发生疲劳失效，若失效，终止循环计算，若否，进入帘线橡胶复合材料伤损模块。
帘线橡胶复合材料伤损模块是基于橡胶帘线复合材料的周向、轴向及屈曲的实验数据应用卷积神经网络稀疏化后，应用数理统计建立橡胶帘线复合材料损伤模型，并将之程序化，能根据工作循环次数确定出帘线橡胶复合材料的当前许用应力，并将相关数值赋空气弹簧有限元模型，进行下一次循环计算。其作用进行疲劳寿命循环次数的递减，每运行一次，疲劳循环寿命减少一次。
ABAQUS为有限元分析软件，并施加特定的载荷工况，得到空气弹簧位移与载荷之间的关系。在有限元模拟中，可将橡胶气囊比作具有若干铺层的板状结构：橡胶层部分采用三维4节点壳单元S4R进行模拟，帘线层部分采用壳截面参数Rebar单元进行模拟。Rebar单元是用于模拟层状结构或实体结构中嵌入的钢筋部分，其参数包括Rebar层数和层面内各Rebar之间的间距，以及Rebar的横截面积、方向角度等。在ABAQUS中模拟工况进行分析。
UG为疲劳计算软件，将ABAQUS中应力分析结果文件OBD数据导入到UG疲劳软件中进行空气弹簧寿命分析，将疲劳分析结果文件的数据导入ABAQUS中进行数据后处理。UG软件中输出的结果是寿命循环次数，即能够循环输入的在载荷谱的最多次数。
帘线橡胶复合材料伤损模块判断空气弹簧失效形式。空气弹簧是层合复合材料，层合复合材料主要疲劳破坏机理是：循环载荷下，裂纹在层间产生，层间裂纹穿过复合材料结构扩展，导致脱层破坏。
有益效果：1、本发明基于ISIGHT软件集成空气弹簧参数化模型、空气弹簧有限元模型，帘线橡胶复合材料损伤模块及雨流计数模块，进行虚拟联合仿真，此平台分析得到空气弹簧的疲劳寿命，与实际试验相比减少了成本与时间；2、分析得到的空气弹簧的薄弱部分，也为空气弹簧结构优化提供了理论基础，费用低，节省成本。
附图说明
图1是本发明的预测平台构成图；
图2是本发明中帘线橡胶复合材料损伤模型；
图3是本发明的帘线橡胶复合材料伤损模块的形成流程图；
图4是本发明的预测方法流程图。
具体实施方式
参见图1，本发明一实施例所述的空气弹簧疲劳寿命预测平台，由ISIGHT集成空气弹簧参数化模型、空气弹簧有限元模型、帘线橡胶复合材料伤损模块及雨流计数模块而成。
空气弹簧参数化模型是基于UG软件创建，并能够通过给参数赋值后构建空气弹簧三维模型。空气弹簧有限元模型是由ABAQUS软件建立，并能够通过数值计算获得橡胶气囊应力和应变云图。帘线橡胶复合材料伤损模块用于描述帘线橡胶材料的许用强度随工作次数的本构关系。雨流计数模块用于空气弹簧寿命消耗的在线计算。
空气弹簧有限元模型通过施加初始气压及载荷谱获得当前循环工况下的橡胶气囊应变和应力。
帘线橡胶复合材料伤损模块是基于帘线橡胶复合材料的轴向拉伸、周向拉伸和屈曲复合工况循环实验数据建立起额定载荷作用下的损伤数学模型，表征帘线橡胶复合材料许用强度随循环次数的本构关系，并用C语言编制而成。帘线橡胶复合材料伤损模块过卷积神经网络运算将橡胶复合材料轴向、周向拉伸和屈曲三向循环实验数据稀疏化，并对压缩后的实验数据应用雨流计数法，编制空气弹簧的载荷谱，并用C语言编制而成。
基于上述预测平台的空气弹簧疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：
(1)基于空气弹簧的盖板、橡胶气囊及活塞零件参数化模型，应用UG软件将零件结构参数赋值，依次建立起橡胶气囊、盖板及活塞的三维模型，通过虚拟装配得到空气弹簧模型，并以stp格式导出。
(2)ABAQUS软件导入空气弹簧模型，将活塞、盖板、橡胶气囊和腔内气体控制体一一定义，分别进行网格划分，活塞和盖板视为刚体，帘线橡胶复合材料通过橡胶和rebar来模拟，cavity模拟气体控制体，建立非线性有限元模型，加载进行数值计算，获得橡胶气囊的应力及应变分布。
(3)帘线橡胶复合材料伤损模块根据空气弹簧所经历的工作循环次数，确定当前橡胶气囊的许用强度。
(4)雨流计数模块应用雨流计数对橡胶气囊应力进行循环次数计算。
(5)决策，如果橡胶气囊所受最大应力不小于许用应力，则橡胶气囊发生失效，终止计算，空气弹簧疲劳寿命为上一次所记录的工作次数；最大应力小于许用应力，则返回步骤(1)，根据空气弹簧新的结构参数重新建立三维模型，进行下一循环有限元计算，直到失效为止。
UG软件根据空气弹簧结构尺寸参数为ABAQUS软件提供模型，ABAQUS建立有限元模型并进行数值计算，获得橡胶气囊的应力和应变分部云图，帘线橡胶复合材料伤损模块应用卷积神经网络将橡胶帘线复合材料的周向、轴向及屈曲实验数据稀疏化，建立橡胶帘线复合材料损伤模型并程序化，能根据工作循环次数确定出当前帘线橡胶复合材料的许用应力及许用应变；雨流计数模块把实测载荷历程简化为若干个载荷循环，疲劳寿命估算和编制疲劳试验载荷谱使用，并与最大应力比较，判断空气弹簧是否安全。
如图2所示，UG软件建立盖板、橡胶气囊、活塞等空气弹簧部件参数化模型，给参数赋值可以建立起三维模型，通过虚拟装配获得空气弹簧系统模型，并以格式将其导出；ABAQUS软件导入空气弹簧系统模型，进而将盖板、活塞定义为刚体，橡胶气囊定义为橡胶和帘线rebar，腔内气体定义为cavity，划分网格，给盖板、活塞、气体、橡胶和帘线设置物性参数，建立起空气弹簧有限元模型，进行数值计算，获得橡胶气囊应力及应变历程；雨流计数模块把实测载荷历程简化为若干个载荷循环，疲劳寿命估算和编制疲劳试验载荷谱使用，并与最大应力比较，判断空气弹簧是否安全；帘线橡胶复合材料伤损模块应用卷积神经网络将橡胶帘线复合材料的周向、轴向及屈曲实验数据稀疏化，建立橡胶帘线复合材料损伤模型并程序化，能根据工作循环次数确定出当前帘线橡胶复合材料的许用应力及许用应变。
如图3所示，雨流计数模块将实测载荷历程简化为若干个载荷循环，供疲劳寿命估算和编制疲劳试验载荷谱使用；在ABAQUS中进行空气弹簧有限元分析，首先建立空气弹簧有限元模型，使用实践证明，空气弹簧的气囊部分最为薄弱，在循环载荷的作用容易产生疲劳损伤。在ABAQUS的有限元建模中可将橡胶气囊比作具有若干铺层的板状结构：橡胶层部分采用三维4节点壳单元S4R进行模拟，帘线层部分采用壳截面参数Rebar单元进行模拟。Rebar单元是用于模拟层状结构或实体结构中嵌入的钢筋部分，其参数包括Rebar层数和层面内各Rebar之间的间距，以及帘线的横截面积、方向角度等。由于空气弹簧在实际工作中始终承受竖直、水平方向的交变载荷的作用，所以模拟载荷根据空气弹簧实际工况模拟，主要分为两种工况：工况1：第一步固定住上下盖板的六个自由度，往气囊充入0.3MPa的气体，为空气弹簧的初始气压；工况2：保持空气弹簧气囊内气压值为0.3MPa释放上盖板的竖直约束。同时对上盖板施加水平方法和竖直方向各10mm的位移载荷来压缩气囊。分析得到空气弹簧位移与载荷之间的关系。
如图4所示，运用UG软件进行空气弹簧疲劳寿命分析。将疲劳载荷谱、有限元应力分析结果、各部分材料属性输入进UG软件中，然后根据不同材料的疲劳损伤特性选择合适的疲劳算法进行疲劳计算，计算的空气弹簧的循环寿命。
在ABAQUS中对空气弹簧进行有限元分析，分析得橡胶气囊有限应力分布情况，查看应力最大部分的承受的最大应力是否超出橡胶材料的疲劳极限，研判其部位是否容易发生应力疲劳损伤。得到空气弹簧的应力分析结果，然后将ABAQUS的输出结果OBD文件输出到UG软件中，在UG软件中选取Principal strain主应变疲劳算法进行疲劳寿命计算。在UG软件中设定载荷谱的长度，然后根据车辆在实际行驶情况分析实际车辆在一年内的行驶里程数，例如家庭用的小汽车一年行驶的里程数为10000km，因此在UG软件中的一年的使用寿命可以表征为循环次数的10^4，即一年中将长度为1km的载荷谱循环加载10000次。
UG的输出结果为空气弹簧的寿命循环次数，将UG的结果输入到ABAQUS中进行可视化查阅分析，查看易产生损伤的部位的疲劳损伤结果。
以ISIGHT为平台集成ABAQUS、UG，进行循环疲劳寿命的分析。平台运行一次，将减少一次空气弹簧寿命循环次数。ISIGHT为平台可以查每次空气弹簧寿命循环运行结果。
Claims (4)
1.一种空气弹簧疲劳寿命预测平台，其特征在于：由ISIGHT集成空气弹簧参数化模型、空气弹簧有限元模型、帘线橡胶复合材料伤损模块及雨流计数模块而成，
所述空气弹簧参数化模型是基于UG软件创建，并能够通过给参数赋值后构建空气弹簧三维模型；
所述空气弹簧有限元模型是由ABAQUS软件建立，并能够通过数值计算获得橡胶气囊应力和应变云图；
所述帘线橡胶复合材料伤损模块用于描述帘线橡胶材料的许用强度随工作次数的本构关系；
所述雨流计数模块用于空气弹簧疲劳寿命的在线预估；
所述帘线橡胶复合材料伤损模块是基于帘线橡胶复合材料的轴向拉伸、周向拉伸和屈曲复合工况循环实验数据建立起额定载荷作用下的损伤数学模型，表征帘线橡胶复合材料许用强度随循环次数的本构关系，并用C语言编制而成；
空气弹簧疲劳寿命预测方法包括以下步骤：
（1）基于空气弹簧的盖板、橡胶气囊及活塞零件参数化模型，应用UG软件将零件结构参数赋值，依次建立起橡胶气囊、盖板及活塞的三维模型，通过虚拟装配得到空气弹簧模型，并导出；
（2）ABAQUS软件导入空气弹簧模型，将活塞、盖板、橡胶气囊和腔内气体控制体一一定义，分别进行网格划分，活塞和盖板视为刚体，帘线橡胶复合材料通过橡胶和rebar来模拟，cavity模拟气体控制体，建立非线性有限元模型，加载进行数值计算，获得橡胶气囊的应力及应变分布；
（3）帘线橡胶复合材料伤损模块根据空气弹簧所经历的工作循环次数，确定当前橡胶气囊的许用强度；
（4）雨流计数模块应用雨流计数对橡胶气囊应力进行循环次数计算；
（5）决策，如果橡胶气囊所受最大应力不小于许用应力，则橡胶气囊发生失效，终止计算，空气弹簧疲劳寿命为上一次所记录的工作次数；最大应力小于许用应力，则返回步骤（1），给循环次数加1，根据空气弹簧新的结构参数重新建立三维模型，进行下一个循环计算，以此不断循环，直到疲劳失效为止。
2.根据权利要求1所述的空气弹簧疲劳寿命预测平台，其特征在于：所述空气弹簧有限元模型通过施加初始气压及载荷谱获得当前循环工况下的橡胶气囊应变和应力。
3.根据权利要求1所述的空气弹簧疲劳寿命预测平台，其特征在于：所述帘线橡胶复合材料伤损模块利用卷积神经网络稀疏化帘线橡胶复合材料实验数据，并对压缩后的实验数据应用雨流计数法，编制空气弹簧的载荷谱。
4.根据权利要求3所述的空气弹簧疲劳寿命预测平台，其特征在于：所述帘线橡胶复合材料伤损模块通过卷积神经网络运算将橡胶复合材料轴向、周向拉伸和屈曲三向循环实验数据稀疏化。
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