CN117436300A - 一种空气弹簧运动包络生成方法 - Google Patents

一种空气弹簧运动包络生成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空气弹簧运动包络生成方法，特点是在有限元分析软件中根据汽车悬架参数和空气弹簧的设计参数搭建悬架多体动力学模型和空气弹簧有限元模型；根据预设的目标瞬态状态进行空气弹簧运动包络仿真，生成多个瞬态运动结果并输入至几何设计软件中，根据预设的运动包络生成方法得到空气弹簧的运动包络；将空气弹簧的运动包络与周边零件进行间隙校核，输出合格的空气弹簧的运动包络；优点是充分考虑了整个悬架的运动模式，只需要进行1次仿真计算即可得到整个轮跳行程中空气弹簧的瞬态运动结果，减少了计算成本与设计时间；将有限元分析软件和几何设计软件进行联合，规避了包络失真问题，提高了结果的准确性。

Description

一种空气弹簧运动包络生成方法
技术领域
本发明涉及运动包络生成方法，尤其是一种空气弹簧运动包络生成方法。
背景技术
在设计空气弹簧时，为防止空气弹簧与周边零件发生碰撞和摩擦进而产生异响和耐久等问题，需要考虑空气弹簧在整个运动包络下，每一瞬态与周边零件的边界动态间隙问题，但是在实际设计时，无法做到对每一瞬态都进行校核。
空气弹簧的运动模式复杂，由不同悬架类型决定的同时还受多根摆臂与连杆的影响，并且空气弹簧本身主要由橡胶构成，橡胶在运动过程中会发生大变形，因此空气弹簧的瞬态状态具有多变性，难以准确获取。而空气弹簧供应商往往只考虑空气弹簧自身的运动模式，获取空气弹簧的初始设计位置与目标安装位置后，以类似点到点运动的方式，将其分解为几个简单运动的耦合，通过有限元仿真强制位移的方法，得到某一瞬态下的空气弹簧位置与状态，上述方法虽然形象直观和便于理解，且只需将初始位置平动和转动后即可得到目标位置，但是完全忽略了连杆体系中相互制约的运动过程，只有最终得到的结果是准确的，有限元仿真将运动分解为多个增量步实现，而中间任一仿真增量步的运动位置都是无意义的，每次只能获得一个瞬态状态，即意味着轮心每跳动一次，都需要进行一次仿真计算，极大的增加了计算成本与设计时间。
此外，由于有限元仿真将数模划分为多个离散网格单元，其结果不能直接用于间隙校核，需要将结果先重新转化成几何数模，再进行间隙校核。现有的有限元商业软件虽然具备将有限元网格结果转变成几何数模的功能，但由于数模的复杂性，时常发生软件无法识别数模结构特征而转变失败的情况，所以通常这一过程中需要工作人员对数模锐变区域进行筛选，手动操作删除复杂变形区域，人力成本高，且由于软件内置算法的原因，时常出现包络失真的问题，降低了结果的准确性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种空气弹簧运动包络生成方法，不但减少了计算量，从而减少了计算成本和设计时间，而且提高了结果的准确性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种空气弹簧运动包络生成方法，包括以下步骤：
步骤①，获取存有客户提供的汽车悬架参数的文档，并根据汽车悬架参数通过有限元分析软件搭建悬架多体动力学模型；
步骤②，获取空气弹簧的设计参数，根据空气弹簧的设计参数通过有限元分析软件搭建空气弹簧有限元模型；
步骤③，将悬架多体动力学模型和空气弹簧有限元模型联合，根据预设的目标瞬态状态进行空气弹簧运动包络仿真，得到多个瞬态运动结果；
步骤④，将所有瞬态运动结果输入至几何设计软件中，根据预设的运动包络生成方法得到空气弹簧的运动包络；
步骤⑤，将空气弹簧的运动包络与空气弹簧的周边零件进行间隙校核，若空气弹簧的运动包络与周边零件的间隙距离大于或等于预设的间隙距离，则为合格，输出对应的空气弹簧的运动包络；若空气弹簧的运动包络与周边零件的间隙距离小于预设的间隙距离，则为不合格，修改空气弹簧的设计参数并通过有限元分析软件重新搭建空气弹簧有限元模型，执行步骤③。
与现有技术相比，本发明的优点在于通过在有限元分析软件中搭建悬架多体动力学模型，一方面完整的考虑了整个悬架的运动模式，使任一时刻的空气弹簧运动状态都与实际一致，通过预设的目标瞬态状态，只需要进行1次仿真计算即可得到整个轮跳行程中空气弹簧任一时刻的变形状态即瞬态运动结果，而现有技术中需要进行至少40次仿真计算，因此本发明大大减少了计算成本与设计时间；另一方面避免了建立模型过程中的人工操作错误；将有限元分析软件和几何设计软件进行联合，即将空气弹簧的任一瞬态运动结果，直接在几何设计软件中生成相同节点，进而连接各个节点生成该瞬态运动状态下的包络，规避了包络失真问题，提高了结果的准确性。
进一步的，所述的步骤①中，所述的汽车悬架参数包括悬架所有硬点的坐标、悬架类型、衬套刚度和轮跳行程。
进一步的，所述的轮跳行程为200mm，所述的有限元分析软件为Abaqus，
通过有限元分析软件Abaqus搭建悬架多体动力学模型的具体过程为：
步骤i，根据悬架所有硬点的坐标在Abaqus中生成每个硬点对应的节点；
步骤ii，根据悬架类型得到各个硬点之间的关系，在Abaqus中建立对应关联，根据建立的所有硬点之间的关联，搭建得到悬架多体动力学模型。
进一步的，所述的步骤②中，所述的有限元分析软件为Abaqus，所述的空气弹簧的设计参数包括空气弹簧的活塞外径、端盖形状、囊皮帘线角度、囊皮外径、囊皮长度、铝护筒外径和防尘罩形状。
进一步的，所述的步骤③中，根据预设的目标瞬态状态进行空气弹簧运动包络仿真，得到多个瞬态运动结果的具体操作过程为：以对硬点为轮心的坐标施加竖直方向的轮跳行程的方式，对悬架多体动力学模型进行驱动，从而带动空气弹簧有限元模型，每隔一个预设的目标瞬态状态，记录当时空气弹簧的运动状态并作为一个瞬态运动结果，最终得到多个瞬态运动结果，其中每个瞬态运动结果由多个有限元网格组成；
所述的预设的目标瞬态状态为5mm或10mm。通过在硬点为轮心的坐标上加载轮跳位移，进而带动多连杆的运动，从而可以准确获得空气弹簧对应安装摆臂的运动。
优选的，所述的预设的目标瞬态状态为5mm。
进一步的，所述的步骤④中，所述的几何设计软件为CATIA，根据预设的运动包络生成方法得到空气弹簧的运动包络的具体过程如下：
a按照步骤③中的生成时间顺序选取第一个瞬态运动结果作为当前瞬态运动结果；
b随机选取当前瞬态运动结果中的一个有限元网格作为当前有限元网格，读取当前有限元网格的节点坐标，在CATIA中生成对应节点，通过节点生成平面的方式生成与当前有限元网格形状一致的当前几何数模；
c遍历当前瞬态运动结果中其他有限元网格，找到当前有限元网格的相邻有限元网格，读取相邻有限元网格的节点坐标，在CATIA中生成对应节点，通过节点生成平面的方式生成与相邻有限元网格形状一致的相邻几何数模，通过几何数模求和方法将当前几何数模与相邻几何数模合并为一个新的数模，作为当前有限元网格的新数模；
d将步骤c中找到的相邻有限元网格作为当前有限元网格，返回步骤c继续执行，直至当前瞬态运动结果中的每个有限元网格均生成了对应的新数模，通过几何数模求和方法对所有有限元网格的新数模进行求和，将求和后的新数模作为当前瞬态运动结果对应的空气弹簧的瞬态状态；
e将当前瞬态运动结果的下一个瞬态运动结果作为当前瞬态运动结果，返回步骤b继续执行，直至得到每个瞬态运动结果对应的空气弹簧的瞬态状态，将所有的空气弹簧的瞬态状态组合生成空气弹簧的运动包络。
进一步的，所述的步骤⑤中，所述的预设的间隙距离为10~15mm。
优选的，所述的预设的间隙距离为10mm。
进一步的，所述的步骤⑤之前还包括，采用几何设计软件的DMU模块对周边零件进行运动仿真，得到空气弹簧的周边零件的位置。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图；
图2为本发明中悬架多体动力学模型示意图；
图3为本发明中空气弹簧有限元模型示意图；
图4为本发明中进行空气弹簧运动包络仿真的示意图；
图5为本发明中空气弹簧的运动包络的示意图；
图6为本发明中空气弹簧的运动包络与空气弹簧的周边零件之间的间隙示意图。
实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例一，如图1-6所示，一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤①，获取存有客户提供的汽车悬架参数的文档，并根据汽车悬架参数通过有限元分析软件搭建悬架多体动力学模型；
其中，汽车悬架参数包括悬架所有硬点的坐标、悬架类型、衬套刚度和轮跳行程；
在本实施例中，轮跳行程为200mm（轮跳行程为200mm，即轮心向上跳动行程为100mm，轮心向下跳动行程为100mm），有限元分析软件为Abaqus，通过有限元分析软件Abaqus搭建悬架多体动力学模型的具体过程为：
步骤i，根据悬架所有硬点的坐标在Abaqus中生成每个硬点对应的节点；
步骤ii，根据悬架类型得到各个硬点之间的关系，在Abaqus中建立对应关联，根据建立的所有硬点之间的关联，搭建得到悬架多体动力学模型；
例如：硬点A与硬点B为一根摆臂的两端硬点，摆臂在运动过程中不发生变形，则对应节点a与节点b建立刚性关联，保持两节点间无相对运动，硬点C与硬点D为相邻两根摆臂的互相连接的硬点，两根摆臂间用衬套连接，则对应节点c与节点d建立柔性关联，并赋予相应衬套刚度，衬套刚度也由文档中获取，按如上方式将所有硬点间的关系建立，即搭建完成多体动力学模型；
步骤②，获取空气弹簧的设计参数，根据空气弹簧的设计参数通过有限元分析软件搭建空气弹簧有限元模型；其中，有限元分析软件为Abaqus，空气弹簧的设计参数包括空气弹簧的活塞外径、端盖形状、囊皮帘线角度、囊皮外径、囊皮长度、铝护筒外径和防尘罩形状；
在本实施例中，囊皮和防尘罩作为变形件，需要准确模拟变形效果，所以需要细致划分，端盖、活塞、铝护筒在运动过程中基本不变形，所以可以粗略划分，因此在有限元分析软件Abaqus中，将囊皮和防尘罩的网格大小设定为1mm，将端盖、活塞和铝护筒的网格大小设定为3mm，囊皮分别与端盖、活塞和铝护筒的接口位置通过工艺组装，不产生相对运动，所以建立硬连接，除接口位置之外的其他位置在运动过程中有可能会发生接触，所以需要建立相互接触判断，防尘罩运动过程中自身会发生接触，所以建立自身接触判断；
步骤③，将悬架多体动力学模型和空气弹簧有限元模型联合，根据预设的目标瞬态状态进行空气弹簧运动包络仿真，得到多个瞬态运动结果；
根据预设的目标瞬态状态进行空气弹簧运动包络仿真，得到多个瞬态运动结果的具体操作过程为：以对硬点为轮心的坐标施加竖直方向的轮跳行程的方式，对悬架多体动力学模型进行驱动，从而带动空气弹簧有限元模型，每隔一个预设的目标瞬态状态，记录当时空气弹簧的运动状态并作为一个瞬态运动结果，最终得到多个瞬态运动结果，其中每个瞬态运动结果由多个有限元网格组成；（例如：轮跳行程为200mm，预设的目标瞬态状态为5mm，那么从驱动开始到结束，最终得到40个瞬态运动结果）
在本实施例中，预设的目标瞬态状态为5mm。
步骤④，将所有瞬态运动结果输入至几何设计软件中，根据预设的运动包络生成方法得到空气弹簧的运动包络；
其中，几何设计软件为CATIA，根据预设的运动包络生成方法得到空气弹簧的运动包络的具体过程如下：
a按照步骤③中的生成时间顺序选取第一个瞬态运动结果作为当前瞬态运动结果；
b随机选取当前瞬态运动结果中的一个有限元网格作为当前有限元网格，读取当前有限元网格的节点坐标，在CATIA中生成对应节点，通过节点生成平面的方式生成与当前有限元网格形状一致的当前几何数模；
c遍历当前瞬态运动结果中其他有限元网格，找到当前有限元网格的相邻有限元网格，读取相邻有限元网格的节点坐标，在CATIA中生成对应节点，通过节点生成平面的方式生成与相邻有限元网格形状一致的相邻几何数模，通过几何数模求和方法将当前几何数模与相邻几何数模合并为一个新的数模，作为当前有限元网格的新数模；
d将步骤c中找到的相邻有限元网格作为当前有限元网格，返回步骤c继续执行，直至当前瞬态运动结果中的每个有限元网格均生成了对应的新数模，通过几何数模求和方法对所有有限元网格的新数模进行求和，将求和后的新数模作为当前瞬态运动结果对应的空气弹簧的瞬态状态；
e将当前瞬态运动结果的下一个瞬态运动结果作为当前瞬态运动结果，返回步骤b继续执行，直至得到每个瞬态运动结果对应的空气弹簧的瞬态状态，将所有的空气弹簧的瞬态状态组合生成空气弹簧的运动包络；
步骤⑤，将空气弹簧的运动包络与空气弹簧的周边零件进行间隙校核，若空气弹簧的运动包络与周边零件的间隙距离大于或等于预设的间隙距离，则为合格，输出对应的空气弹簧的运动包络；若空气弹簧的运动包络与周边零件的间隙距离小于预设的间隙距离，则为不合格，修改空气弹簧的设计参数并通过有限元分析软件重新搭建空气弹簧有限元模型，执行步骤③；
在本实施例中，空气弹簧的周边零件包括控制臂、前束杆、转向节以及其他可能的线路布置；
在本实施例中，预设的间隙距离为10mm；
在本实施例中，步骤⑤之前还包括，采用几何设计软件的DMU模块对周边零件进行运动仿真，得到空气弹簧的周边零件的位置；
以轮心上下跳动行程各100mm（即轮跳行程为200mm）为例，通常每5mm轮心跳动行程进行一次校核，即需获得空气弹簧在40个位置的变形状态，所有变形状态统称为空气弹簧的运动包络，未使用本发明的方法前，需要计算40次，且考虑到计算机能够多个计算并行，也需要至少1-2天时间才能得到空气弹簧的运动包络，而使用本发明的方法后，只需要进行1次计算，并且只需要4小时即可得到空气弹簧的运动包络，大大减少了计算成本与设计时间。
实施例二：其余部分与实施例一相同，不同之处在于预设的目标瞬态状态为10mm，预设的间隙距离为15mm。
实施例三：其余部分与实施例一相同，不同之处在于预设的间隙距离为13mm。

Claims (10)

1.一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤①，获取存有客户提供的汽车悬架参数的文档，并根据汽车悬架参数通过有限元分析软件搭建悬架多体动力学模型；
步骤②，获取空气弹簧的设计参数，根据空气弹簧的设计参数通过有限元分析软件搭建空气弹簧有限元模型；
步骤③，将悬架多体动力学模型和空气弹簧有限元模型联合，根据预设的目标瞬态状态进行空气弹簧运动包络仿真，得到多个瞬态运动结果；
步骤④，将所有瞬态运动结果输入至几何设计软件中，根据预设的运动包络生成方法得到空气弹簧的运动包络；
步骤⑤，将空气弹簧的运动包络与空气弹簧的周边零件进行间隙校核，若空气弹簧的运动包络与周边零件的间隙距离大于或等于预设的间隙距离，则为合格，输出对应的空气弹簧的运动包络；若空气弹簧的运动包络与周边零件的间隙距离小于预设的间隙距离，则为不合格，修改空气弹簧的设计参数并通过有限元分析软件重新搭建空气弹簧有限元模型，执行步骤③。
2.根据权利要求1所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的步骤①中，所述的汽车悬架参数包括悬架所有硬点的坐标、悬架类型、衬套刚度和轮跳行程。
3.根据权利要求2所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的轮跳行程为200mm，所述的有限元分析软件为Abaqus，
通过有限元分析软件Abaqus搭建悬架多体动力学模型的具体过程为：
步骤i，根据悬架所有硬点的坐标在Abaqus中生成每个硬点对应的节点；
步骤ii，根据悬架类型得到各个硬点之间的关系，在Abaqus中建立对应关联，根据建立的所有硬点之间的关联，搭建得到悬架多体动力学模型。
4.根据权利要求1所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的步骤②中，所述的有限元分析软件为Abaqus，所述的空气弹簧的设计参数包括空气弹簧的活塞外径、端盖形状、囊皮帘线角度、囊皮外径、囊皮长度、铝护筒外径和防尘罩形状。
5.根据权利要求1所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的步骤③中，根据预设的目标瞬态状态进行空气弹簧运动包络仿真，得到多个瞬态运动结果的具体操作过程为：以对硬点为轮心的坐标施加竖直方向的轮跳行程的方式，对悬架多体动力学模型进行驱动，从而带动空气弹簧有限元模型，每隔一个预设的目标瞬态状态，记录当时空气弹簧的运动状态并作为一个瞬态运动结果，最终得到多个瞬态运动结果，其中每个瞬态运动结果由多个有限元网格组成；
所述的预设的目标瞬态状态为5mm或10mm。
6.根据权利要求5所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的预设的目标瞬态状态为5mm。
7.根据权利要求1所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的步骤④中，所述的几何设计软件为CATIA，根据预设的运动包络生成方法得到空气弹簧的运动包络的具体过程如下：
a按照步骤③中的生成时间顺序选取第一个瞬态运动结果作为当前瞬态运动结果；
b随机选取当前瞬态运动结果中的一个有限元网格作为当前有限元网格，读取当前有限元网格的节点坐标，在CATIA中生成对应节点，通过节点生成平面的方式生成与当前有限元网格形状一致的当前几何数模；
c遍历当前瞬态运动结果中其他有限元网格，找到当前有限元网格的相邻有限元网格，读取相邻有限元网格的节点坐标，在CATIA中生成对应节点，通过节点生成平面的方式生成与相邻有限元网格形状一致的相邻几何数模，通过几何数模求和方法将当前几何数模与相邻几何数模合并为一个新的数模，作为当前有限元网格的新数模；
d将步骤c中找到的相邻有限元网格作为当前有限元网格，返回步骤c继续执行，直至当前瞬态运动结果中的每个有限元网格均生成了对应的新数模，通过几何数模求和方法对所有有限元网格的新数模进行求和，将求和后的新数模作为当前瞬态运动结果对应的空气弹簧的瞬态状态；
e将当前瞬态运动结果的下一个瞬态运动结果作为当前瞬态运动结果，返回步骤b继续执行，直至得到每个瞬态运动结果对应的空气弹簧的瞬态状态，将所有的空气弹簧的瞬态状态组合生成空气弹簧的运动包络。
8.根据权利要求1所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的步骤⑤中，所述的预设的间隙距离为10~15mm。
9.根据权利要求8所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的预设的间隙距离为10mm。
10.根据权利要求1所述的一种空气弹簧运动包络生成方法，其特征在于所述的步骤⑤之前还包括，采用几何设计软件的DMU模块对周边零件进行运动仿真，得到空气弹簧的周边零件的位置。
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