Abaqus模拟空气弹簧
本文，我们将看一下空气弹簧（图1）的模拟。该设备可用于隔振和悬架，例如在重型车辆应用中。
图1：空气弹簧
此处显示的示例由一个波纹管状的皮囊（两个波纹管）组成，每个端部都有钢板。波纹管由橡胶制成，并用纤维增强。钢制的箍环在充满压缩空气时有助于保持其形状。
与机械板簧或螺旋弹簧相比，空气弹簧具有可调的优势：通过改变空气弹簧内部的压力，弹簧特性会发生变化。此外，可以通过添加或去除空气来调节空气弹簧的长度。因此，空气弹簧可用于调平和调节高度。
如上所述，这种空气弹簧的性能不仅取决于几何形状，材料特性和增强材料的选择，还取决于其中所含的空气。在此文中，我们将模拟此空气弹簧（包括其空气室），并研究如何通过改变内部压力来影响力-位移行为。
几何
几何结构如图1所示。为简单起见，使用了轴对称方法。我们在这里只看轴向力-位移行为，所以这足够了。为了对钢筋建模，波纹管厚度的中间包括一层钢筋（图2）。它包括相对于纵向方向为+/- 15度的纤维。
图2：加强层的位置
这是使用Abaqus中的rebar选项完成的。轴对称面被分隔，以在加强层的位置获得边缘。在钢筋定义中，定义了钢筋的材料，每根钢筋的面积，钢筋的间距和取向角。在轴对称壳体的情况下，没有必要甚至没有可能为钢筋角度定义坐标系。相对于rz平面定义角度。纤维的角度为0度时位于rz平面（明确建模的平面）中，纤维以90度为垂直方向。
材料
顶板和底板被认为是刚性的。波纹管使用橡胶材料特性（超弹性的Mooney-Rivlin）。钢质用于腰带箍和纤维增强。空气弹簧内的空气被认为是一种理想的气体，其分子量为0.0289。
流体腔
使用流体腔将空气包括在分析中。这允许将压力-体积关系曲线，使用的表面是波纹管以及顶板和底板的内表面，如图3所示。
图3：用于定义流体腔的表面
在流体腔内，假定压力是恒定的。可以规定压力作为流体腔的边界条件。在这种情况下，空气可以流入或流出腔体，以获得该压力。当没有压力边界条件处于活动状态时，则关闭型腔；否则，关闭型腔。空气不能流入或流出。也可以使用更复杂的充气选项，例如用于模拟安全气囊。
在Abaqus中，流体腔是一种相互作用。必须定义一个表面和一个参考点。对于（轴对称）情况，参考点必须位于对称轴上（即使轴对称问题位于流体腔本身之外）。流体腔定义是指定义流体腔特性的相互作用特性。在其中，您可以选择流体腔是液压的还是气动的。对于气动腔体（例如此处使用的腔体），必须指定理想的气体分子量。要使用此选项，应将绝对零温度和通用气体常数定义为模型属性。
载荷和边界条件
对于每个分析，都模拟了三个步骤。在第一步期间，空气弹簧被加压。在此步骤中，两个端板（顶部和底部）均已固定。在第二步中，移动顶板以达到25％的轴向压缩。在最后一步中，移动顶板以达到40％的轴向延伸。这使我们能够绘制力-位移图。
这些步骤是针对以下三个压力级别执行的：1、2、3、4和5 bar，以便可以显示加压效果。另外，在允许空气弹簧膨胀的同时增加压力。这显示了如何将空气弹簧加压可用于调平。使用Abaqus / Standard进行分析。
结果
正如预期的那样，随着压力的增加，空气弹簧的长度也会增加。压缩伸长试验期间的变形如下所示：
在绘制所有压力水平下的力与位移的关系图时，随着压力水平的增加，我们会观察到更大的力以及更大的弹簧刚度力（图4）。
图4：不同初始压力水平下的力-位移关系
结论
这里已经展示了一种使用Abaqus中的流体腔功能对空气弹簧建模的方法。通过该方法可以研究了不同初始压力下的轴向力-位移关系。也可以研究许多其他事情，例如纤维取向的影响或更复杂的加载条件。
