基于优化技术的气弹簧选型解决方案

刘莹，商航，鄂世国，乔鑫



基于优化技术的气弹簧选型解决方案

刘莹，商航，鄂世国，乔鑫

（华晨汽车工程研究院，CAE工程室，辽宁 沈阳 110141）

本着优化的思想、结合有限元技术，以布置位置、弹簧Fa、Fb为变量，关闭力历程为目标，对气弹簧选型进行科学匹配。实现对气弹簧性能以及安装位置进行系统分析。

选型；试验设计；数据匹配；模拟退火

引言

传统车型开发过程中，我们利用已有的气弹簧资源，结合布置的一些要求来选取适当的位置进行匹配。随着资源的丰富以及正向开发思想的影响，如何合理的对气弹簧性能以及安装位置提出要求显得尤为重要[1]。在尾门的设计过程中，关闭力通常是基本的考察指标。目前多学科联合优化设计在国内已经被应在汽车开发设计领域[2~4]，本文提出对关闭力历程作为目标，对关闭过程的手感增益、损失更加全面。

1 气弹簧的工作原理

气弹簧是在密闭的腔体内压入惰性气体(常用氮气)和油、或油气混合物，以气体为工作介质的一种弹性元件，主要由压力管、活塞、活塞杆及若干连接件组成。由于在活塞内部设有通孔，活塞两端气体压力相等，而活塞两侧的截面积不同，一端接有活塞杆而另一端没有，故在气体压力作用下，会向截面积小的一侧产生压力，即气弹簧的弹力，弹力的大小可以通过设置不同的气压或者不同直径的活塞杆予以设定。如图1所示，F、F分别为无活塞杆腔和有活塞杆腔体的压力；S、S分别为无活塞杆腔和有活塞杆腔体的截面积；为惰性气体压强。气弹簧弹力的平衡方程为：=F- F=PS–(S-S)＝PS。由气弹簧弹力的平衡方程可知，弹力与有活塞杆腔的截面积和惰性气体压强之积成正比。

2 力学模型的简化

本文利用ABAQUS 进行尾门关闭仿真，气弹簧运用ABAQUS里CONNECTOR 单元模拟，该单元不仅可以模拟气弹簧刚度特性，同时也可以考虑摩擦及阻尼特性；由于尾门变形不是重点分析对象，所以讲尾门刚性化处理，并合理配重；根据力矩平衡原理，得到车身铰链的反力矩曲线，而关闭力与力矩属于线性关系。

3 多目标优化（仿真流程）

依托有限元分析初始结果，搭建试验设计的仿真流程。流程由五个组件组成，如图3：

两个计算组件，分别处理变量之间的关系、与力与力矩之间的变换关系，而Data Exchange组件用来读取竞品性能的数组组件，Abaqus 用以计算新车型的性能数据，同时两个Data Matching 分别用来生成力矩历程差目标函数与平衡点目标函数。

（a）DATA FLOW