摘 要：某互联空气悬架系统的互联管路由于高速气流的冲击，极为容易出现共振，从而造成异响，损坏管路系统。其中U型管由于出现两次折弯，最容易形成气流冲击，出现共振的可能性最大。为了研究U型弯管不同壁厚的特性，基于Siemens NX对U型管进行建模，并进行了模态分析，从分析结果看，若U型管的固有频率较高，则发生共振的可能性较小。此外，为了研究壁厚对U型弯管动态特性的影响，分别对0.8mm和0.3mm两种壁厚的弯管进行了模态分析。结果表明，壁厚对弯管的动态特性影响显著。
关键词：空气悬架;互联管路;模态分析
中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：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
空气悬架相比板簧悬架具有更好的舒适性、安全性和道路友好性，是欧美校车的标配，但在我国还没有完全普及。互联空气悬架是一种更加先进的空气悬架形式，通过互联管路将同一个车桥上的两个空气弹簧连接起来，实现空气互通，从而使两侧空气弹簧形成一个动态的气压平衡状态。这种空气的流动由互联管路中的电磁阀来控制。当空气流通时，速度极快，容易形成冲击，可能会造成共振，因此，本文研究的目的是考虑U型管在装夹状态下的固有特性。
对互联空气悬架以及互联管路及其零部件的研究在国内外都有发现，如2009年，德国的Friedrich等[1]研究了互联管路的内径和空气悬架的减震效果，发现两者之间存在正相关关系。江苏大学的李仲兴等[2]则对横向互联空气悬架的互联管路进行了模态分析，研究了横向互联空气悬架系统中互联管路部件的共振问题。互联管路是实现空气弹簧互联的关键部件，前人对其研究主要集中在管路内径对悬架性能的影响上，忽略了互联管路部件自身结构的安全性与可靠性，路面的不平整对车辆的振动激励是时时刻刻存在的，气流的冲击也是激振源，当激振频率与互联管路部件的固有频率相近时会引起互联管路的共振，在产生噪声的同时也会损坏零部件[3，4]。
1 模型前处理
在Siemens NX 12.0中建立U型管的三维模型，模型包括一个横向管，两根竖向管和两个装夹段，如图1所示。该模型较为光顺，不需要进行几何清理。
在完成三维建模以后，进入NX的前后处理模块。考虑到弯管壁厚较薄，因此，采用板壳单元进行分析。[5，6]
模型前处理设置如下[7]：
求解器：NX Nastran;分析类型：结构;解算类型：SOL103实特征值;
材料：AISI Streel_1005，其属性为：密度7.872e- 06kg/mm3，杨氏模量2×108kPa，泊松比0.25;
壳单元物理属性：厚度为0.5mm，惯性比弯曲系数为1，横向剪切厚度比为0.833333;
单元类型：CQUAD4;单元大小：1mm;自动映射网格划分;单元总数：5853;
边界条件：在左右装夹处施加固定约束，位移坐标系选择圆柱坐标系，固定所有自由度;
所有模型前处理完成后得到U型弯管的有限元模型，如图1（b）所示。
2 求解结果及分析
模型设置以后进行求解，解算类型设为SOL103实特征值，特征值方法选Lanczos，计算前五阶模态，不设置频率上下限。求解结果如图2所示。
从图2的云图可以看出，前两阶振型的变形很小，基本上不会影响管路系统的正常工作。U型扭力杆模态分析结果如表1所示。
3 不同壁厚的U型弯管模态分析
为了研究壁厚对U型弯管的动态特性作用是否显著，分析壁厚0.8mm和0.3mm下的固有频率和振型，在Siemens NX中只要修改FEM模型中的单元壁厚属性即可，其余设置保持不变，极大地提高了分析的效率。其结果如图3和图4所示。
从表2可以看出，随着壁厚的变小，各阶固有频率都有所降低，可以看出壁厚对U型弯管的动态特性影响显著。壁厚0.3mm和0.5mm的振型基本相似，壁厚增加到0.8mm时扭动变形幅度要明显小很多，说明增加壁厚对提高弯管的动态特性还是具有积极效果的。但每一阶固有频率都远高于气流冲击频率，因此，可考虑将U型弯管的壁厚降低到0.3mm。
4 结 论
U型弯管的结构特色决定了其受气流冲击的影响很大，使用金属结构可以让弯管的固有频率远离气流冲击频率，从而有效避免共振的发生。对于结构比较规律的薄壁结构，研究其壁厚对结构性能的影响可以通过设置壳单元的壁厚来实现快速建模和分析，减少了大量的重复性工作。
参考文献：
[1] WOLFMONHEIM F，S CHUMACHER M，FRANTZEN 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] 李仲兴，管晓星，郭子权，等.横向互联空气悬架互联管路模态分析 [J].广西大学学报（自然科学版），2017，42（6）：2008-2014.
[3] 王斌华，吕彭民.五节臂混凝土泵车的有限元建模与模态分析 [J].广西大学学报（自然科学版），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] 黄志超，程俊，管昌海，等.汽车扭力梁后悬架模态分析 [J].机械设计与研究，2018，34（1）：107-112.
[6] 杜平，胡夏夏.管路系统的模态分析 [J].轻工机械，2012，30（3）：29-31+35.
[7] 洪如瑾，陆海燕.NX CAE高级仿真流程 [M].北京：电子工业出版社，2012.
作者简介：项菲菲（1988-），女，汉族，江西宜春人，讲师，硕士，研究方向：汽车安全技术。
