基于有限元仿真的铁道车辆空气弹簧限界三维校核

张 波，田清帅，刘万强

(中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东 青岛 266031)

列车出入库或通过车场线时经常会通过小半径曲线，此时往往会伴随空气弹簧最大水平位移的出现，这是空气弹簧最容易与转向架相关结构发生干涉的情形。一旦发生干涉，空气弹簧气囊将有可能被刺破，进而对列车运行安全产生极为不利的影响。所以，对空气弹簧进行水平大位移限界校核是其设计开发过程中的一项必要工作。对于新产品而言，由于缺乏既有产品的实际限界数据作参考，在设计初期只能借助有限元仿真软件对方案进行水平大位移限界校核。本文提出一种方法，可以将有限元仿真获得的空气弹簧极端变形三维不规则模型，直接导入到三维建模软件中，与转向架模型进行装配，直观地观察空气弹簧是否与转向架产生干涉。

由于有限元仿真模型无法直接导入三维建模软件，如何找到一种途径能将有限元仿真结果转化为三维建模软件可直接读取的形式，是本文研究的重点。本文将借助有限元前处理软件实现该过程，具体实现路径：有限元仿真→节点坐标提取，逆向生成通用格式几何外形→三维组装。

1 极端变形工况有限元仿真模拟

1.1 研究对象及工况要求

本文所选研究对象为中车青岛四方车辆研究所有限公司生产的某型空气弹簧，其主要由上盖、扣环、气囊、支承座及橡胶堆组成。气囊为层状复合材料结构，由内层橡胶、帘布层、外层橡胶和钢丝圈硫化而成。该空气弹簧基本结构见图1，极端变形仿真基本参数见表1。

1.上盖；2.扣环；3.支承座；4.气囊；5.橡胶堆。图1 某型空气弹簧结构图

表1 空气弹簧极端变形仿真基本参数

1.2 仿真模拟

首先在有限元仿真软件中建立空气弹簧轴对称模型[1-2]。橡胶材料设置为各向同性不可压缩的超弹性材料，采用Mooney-Rivlin模型表征其本构关系，并用Rebar单元定义帘线。对空气弹簧局部结构进行简化，将上盖、橡胶堆底座设为刚体。气囊与上盖、气囊与支承座的配合位置设置接触关系。将气囊描述为以橡胶为基体、帘线为加强层的轴对称单元，并通过定义帘线在橡胶基体中的位置、密度、截面积以及帘线层间的角度来确定气囊材料的构成关系。采用约束关系将帘线嵌入到气囊中，并在气囊内部建立流体空腔模拟充气过程。在无水平位移时的空气弹簧轴对称模型如图2所示。

图2 空气弹簧轴对称模型

轴对称模型仿真完成后，通过运行命令流的方式将其旋转成为三维模型，按照表1中的参数，施加相应的载荷及位移约束，仿真模拟其极端变形工况。空气弹簧三维模型极端变形仿真结果如图3所示。

图3 空气弹簧三维模型极端变形仿真结果

2 节点坐标提取，逆向生成几何外形

将有限元结果转化成三维建模软件可直接读取的形式，需要借助有限元前处理软件或具有该有限元前处理功能的软件实现。

2.1 实现方法

有限元仿真软件与有限元前处理软件之间通常有进行数据交换的接口，利用该接口将有限元仿真模型导入到有限元前处理软件中(图4)，然后利用有限元前处理功能提取变形后的节点坐标，逆向生成通用格式的几何外形。

具体实现过程为：将目标载荷步的有限元仿真结果文件导入到有限元前处理软件中，提取变形后的节点坐标，逆向生成通用格式的几何外形[3](如IGES格式)。

2.2 橡胶件变形后的几何轮廓提取

空气弹簧中的气囊与橡胶堆在极端变形仿真过程中会产生大变形。按照2.1节所述方法，借助于有限元前处理功能，逆向生成的气囊与橡胶堆极端变形后的几何轮廓如图5所示。因本文只研究模型的限界，为简便起见，只导出橡胶结构的最外侧几何表面。

图5 提取出的气囊及橡胶堆极端变形后的几何轮廓

2.3 金属件几何外形获取

空气弹簧中的金属件，如上盖、扣环、支承座和橡胶堆底座等结构，在极端变形仿真过程中几乎不发生变形，可近似为刚体。这些部件外形无需从有限元仿真模型中提取，直接采用三维建模软件建模即可。

3 三维建模

前面所获取的几何模型包含了空气弹簧的所有构成部件，在三维建模软件中按照对应几何关系进行装配，便可以获得空气弹簧极端变形后的三维模型，如图6所示。

图6 空气弹簧极端变形后的三维模型

4 三维限界校核及试验验证

4.1 三维限界校核

极端变形后的空气弹簧模型可直接在三维建模软件中与转向架进行装配，直观地从各视角校核该空气弹簧限界是否满足要求，装配后的模型如图7所示。

图7 极端变形后的空气弹簧与转向架装配图

4.2 试验验证

将实际产品的极端变形试验结果与仿真结果进行对比，结果见表2。从表2中可以看出，仿真结果与试验结果吻合良好。

表2 极端变形试验结果与仿真结果对比 mm

5 结束语

本文提出了一种铁道车辆空气弹簧极端变形限界校核方法，可以将有限元仿真得到的空气弹簧极端变形三维模型直接导入到三维建模软件中与转向架进行装配，实现直观的三维限界校核。该方法在产品开发初期，对于判断方案的可行性，提高产品研发成功率和研发效率具有指导意义。