空气弹簧系统结构件设计方法、装置、设备及存储介质与流程

1.本发明属于汽车技术领域，具体的说是一种空气弹簧系统结构件设计方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.空气弹簧由于良好的刚度特性而在高档乘用车中有普及化的趋势，但相比于螺旋弹簧形式的传统悬架，空气弹簧一般能提供更大的轴向载荷，因而弹簧通道上结构件载荷条件更加恶劣。弹簧通道上主要包括控制臂、车身、以及空簧上盖、下盖等结构件，其中空簧结构件多采用非金属材料，材料强度较低，有必要进行结构强度校核。
3.第一步是确定结构件强度校核的载荷条件，通常采用悬架载荷分解提取空簧载荷条件，一般来说，基于刚度曲线定义空气弹簧的轴向刚度和翘曲刚度，但空气弹簧的翘曲刚度和气压、长度等多因素有关，刚度曲线并不能表征空簧实际的翘曲刚度，因此通过载荷分解得到的空簧强度分析条件并不能支撑高精度的强度分析。
4.第二种获得结构件强度校核载荷条件的方法是基于悬架dmu分析得到空气弹簧在指定工况或姿态下的位移，将位移作为空簧系统分析的输入条件，或基于空簧的位移提取对应空簧的载荷作为输入条件。但dmu分析中不考虑结构件变形、悬架衬套硬点位移，且弹簧位移方向不固定且不沿轴线方向，因此通过该方法得到的空簧分析位移和载荷条件均不准确，不能支撑高精度的强度校核。
5.第二步是进行结构强度校核，基于有限元手段进行结构强度校核是行业通用手段，模型中加载点通过刚性单元与结构件连接，载荷通过刚性单元传递到结构件。实际工况中，空簧上盖和下盖均与空簧囊皮接触，在载荷条件下囊皮与结构件接触面发生变化，且并不保持为轴对称。因此采用普通的刚性连接单元的有限元模型不能保证分析精度，且通用软件中缺少实时改变连接位置或自适应刚度的连接单元，因此不能实现高精度的结构件应力分析。
6.综上所述得出结论：基于传统分析方法空簧结构件分析主要存在两方面问题：1.结构件载荷精度不足；2.结构件强度分析模型精度不足。因此，乘用车空气弹簧结构件应力分析精度不能够支撑强度设计，需开发新的仿真方法提高分析精度。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种基于柔性体辅助法的空气弹簧系统结构件设计方法、装置、设备及存储介质，本发明采用柔性体辅助法建模 流固耦合求解组合法进行结构强度分析，仿真分析每一增量步根据分析结果调整接触状态及结构刚度，正确描述结构受载下柔性结构大变形力学行为。避免有限元建模中连接单元的类型及连接位置与导致的误差，保证仿真精度；并且采用系统分析替代单件分析，能正确体现受载条件下装配间隙及接触关系变化，提高结构仿真精度。
8.本发明技术方案结合附图说明如下：
9.第一方面，本发明实施例提供了一种空气弹簧系统结构件设计方法，包括以下步骤：
10.步骤一、建立高精度空气弹簧轴对称有限元模型；
11.步骤二、基于步骤一建立的高精度空气弹簧轴对称有限元模型建立高精度空气弹簧实体有限元模型；
12.步骤三、将步骤二中建立的高精度空气弹簧实体有限元模型导入悬架系统进行空气悬架建模及仿真分析；
13.步骤四、结构件强度仿真分析；
14.步骤五、结构件强度校核及优化。
15.进一步的，所述步骤一的具体方法如下：
16.11)建立空气弹簧轴对称分析模型；
17.基于空气弹簧的任意一个对称面进行空气弹簧模型网格划分，定义空簧上盖、下盖及卡环的刚体属性、刚体参考点；定义空簧模型中刚体以及弹性体的接触面及接触关系；划分囊体单元、加强帘线单元，并定义帘线单元的加强筋属性，建立空气弹簧轴对称有限元模型；
18.12)建立辅助柔性体；
19.定义超弹性材料及柔性体属性，并将空簧囊皮部分与超弹性材料及柔性体属性关联；基于囊体网格及部分结构网格定义流固耦合界面，作为空气与结构的作用面，并定义界面的流固耦合属性；定义柔性体结构的外表面接触面，并定义与之关联的接触对；
20.13)定义仿真工况；
21.设定轴对称空簧模型仿真的边界条件，并定义载荷步：空簧充气至设计目标值p0，空簧沿对称轴方向轴向位移载荷[-u1，u1]；
[0022]
14)有限元模型求解；
[0023]
求解空气弹簧轴对称简化分析模型，提取空气弹簧的沿对称轴方向的支反力f0，提取支反力与轴向位移的关系，生成f-u曲线，并提取指定位移条件下的支反力，通过后处理获得指定位移的刚度；
[0024]
15)判定仿真精度；
[0025]
在f-u曲线上按照位移条件选取若干个点，按照式(1)计算空气弹簧支反力差值
△fi”和空气弹簧刚度差值
△
k”i
：
[0026][0027]
式中，fdi是设计目标曲线上的轴向力；kdi是设计目标曲线上的轴向力和刚度；fi'是空簧仿真曲线对应载荷条件下的轴向力差；k'i是空簧仿真曲线对应载荷条件下的刚度差。
[0028]
a)若满足以下条件：
[0029][0030]
则判定仿真空簧轴对称模型满足仿真精度要求；
[0031]
b)若不满足式(2)规定的条件，判定空簧仿真精度不达标，需重复步骤11)-13)的过程，重新定义材料、属性、接触条件，直至达成式(2)规定的精度，判定空簧轴对称模型满足仿真精度要求。
[0032]
进一步的，所述步骤二的具体方法如下：
[0033]
21)生成实体有限元网格；将步骤一中建立的空气弹簧轴对称有限元模型绕着对称轴旋转，生成实体单元的空气弹簧网格，并删除原有轴对称网格；
[0034]
22)定义辅助柔性体；在实体模型中定义囊皮网格的柔性体属性，并与超弹性材料关联；
[0035]
23)更新模型参数；更新结构3d单元的变形体属性、平面帘线单元的加强筋属性，重新定义基于3d单元的结构刚体属性，并更新空簧零部件表面的接触面；
[0036]
24)更新耦合作用区；重新定义封闭的流体与固体交界区域，包括囊皮、上盖、下盖结构的部分内表面，作为空气与结构之间的相互作用面；重新定义囊皮外表面接触面，空簧结构之间相互接触关系保持不变；
[0037]
25)更新边界及载荷条件；定义所有自由度方向上的整体边界条件、充气载荷步的边界条件、轴向位移载荷步中的边界条件；
[0038]
26)有限元模型求解；求解空气弹簧实体分析模型，提取空气弹簧沿对称轴方向的支反力与轴向位移的关系，生成f-u曲线，并提取指定位移载荷条件下的支反力，求解指定位移载荷条件下空簧的刚度值；
[0039]
27)判定仿真精度；基于步骤26)求解的空簧支反力和刚度值，按照式(1)计算支反力差值和刚度差值
[0040][0041]
式中，
△fi”为空气弹簧支反力差值；
△
k”i
为空气弹簧刚度差值：fdi是设计目标曲线上的轴向力；kdi是设计目标曲线上的轴向力和刚度；fi'是空簧仿真曲线对应载荷条件下的轴向力差；k'i是空簧仿真曲线对应载荷条件下的刚度差；
[0042]
a)若支反力差值及刚度差值满足式(2)的条件，判定空簧实体有限元模型满足仿真精度要求；
[0043]
b)若支反力差值及刚度差值不满足式(2)的条件，判定空气弹簧实体有限元模型不满足仿真精度要求，需重复步骤21)-27)的过程，重新定义网格尺寸、接触、边界条件，直至达成式(2)规定精度，判定空簧实体有限元模型满足仿真精度要求；
[0044][0045]
进一步的，所述步骤三的具体方法为：
[0046]
31)导入实体模型；选取指定姿态下的悬架模型，导入步骤二中的高精度空气弹簧实体有限元模型；
[0047]
32)空气弹簧模型姿态修正；将空气弹簧下盖刚体结构的参考点与弹簧下点重合，量取弹簧上点、弹簧下点、上盖刚体参考点形成的夹角，并在三点形成的平面上将空气弹簧模型按照量取角度旋转，确保包含辅助柔性体的空簧实体模型轴线与弹簧设计轴线一致；
[0048]
33)空气弹簧模型位置修正；沿弹簧轴向移动空簧，直至弹簧下盖与设计位置重合，此时上盖位置也处于设计位置；
[0049]
34)调整空气弹簧模型；修改空气弹簧有限元模型中的刚体定义，将弹簧下点更新为下盖的刚体参考点，将弹簧上点更新为上盖的刚体参考点；
[0050]
35)空气悬架加载，按照以下过程分为2个载荷步进行空气悬架加载；
[0051]
351)定义空簧充气载荷步；约束空气弹簧上点、减振器上点、副车架与车身连接点1-6自由度，并约束轮心垂向自由度，空气弹簧充气至指定姿态压力目标p0，提取此时轮心的垂向支反力fzw0；
[0052]
352)定义悬架位移载荷步；轮心位置解除垂向约束，并施加垂向位移载荷uzw，提取轮心的垂向支反力fzw、减振器下点位移uj、减振器上点支反力fj、空簧下点的位移us、空簧上点的支反力fs、支反力矩ms，并生成轮心垂向载荷-位移曲线即uzw-fzw曲线、减振器载荷曲线即uzw-fj曲线、空气弹簧载荷曲线即uzw-fs曲线；
[0053]
36)判断仿真进度；通过空气悬架系统试验与系统仿真结果对比判定仿真精度，按照以下步骤进行：
[0054]
361)在轮心垂向载荷-位移曲线上按照位移条件取若干个点，按照式(3)计算轮心载荷仿真与试验的差值：
[0055]
△
fzwi＝|fzw
i-fzw'i|
ꢀꢀ
(3)
[0056]
式中，fzwi是轮心垂向载荷的仿真值；fzw'i是轮心垂向载荷的试验值；
△
fzwi是轮心垂向载荷仿真与试验的差值；
[0057]
a)若满足以下条件：
[0058]
△
fzwi≤0.01*fzw'iꢀꢀ
(4)
[0059]
则判定轮心垂向载荷仿真精度满足要求，转到步骤362)；
[0060]
b)若不满足式(4)规定的条件，则判定轮心垂向载荷仿真精度不满足要求，需重复步骤31)-步骤35)的操作，并调整模型中弹性连接单元的刚度属性，直至满足式(4)；此时判定空气悬架模型轮心垂向载荷仿真精度满足要求，转到步骤362)；
[0061]
362)在减振器载荷曲线及空气弹簧载荷曲线上分别取若干个点，按照式(5)分别计算减振器与弹簧载荷试验与仿真的差值：
[0062][0063]
式中，fji和fsi分别是减振器和弹簧载荷的仿真值；fj'i和fs'i分别是减振器和弹簧载荷的试验值；
△
fji是和
△
fs分别是减振器和弹簧载荷仿真与试验的差值；
[0064]
a)若满足以下条件：
[0065][0066]
则判定空气悬架的仿真精度满足要求；
[0067]
b)若不满足式(6)规定的条件，判定垂向载荷在弹簧和减振器通道的分配不符合实际，空气悬架仿真精度不满足要求，需重复步骤31)-步骤35)的操作，重点调整模型中减振器通道刚度曲线，直至满足式(6)，此时判定空气悬架模型满足仿真精度要求。
[0068]
进一步的，所述步骤四的具体方法如下：
[0069]
41)模型替换；基于空气弹簧系统结构件几何模型划分网格，将网格导入空气悬架模型，并调至位置和姿态，保持辅助柔性体网格不变；
[0070]
42)删除刚体；将结构件强度仿真分析模型中不涉及的刚体模型及参考点删除；
[0071]
43)引入辅助分析结构；除分析对象外，将空簧系统结构件强度分析必需的结构网格导入空气悬架模型；
[0072]
44)定义接触；针对步骤41)和步骤43)引入的模型定义接触面，以及接触面涉及的所有接触对；
[0073]
45)材料及属性定义；针对步骤41)和步骤43)引入模型，定义实际的材料特性，并根据结构及网格特点定义属性；
[0074]
46)模型求解；加载，加载过程如下：
[0075]
461)定义空簧充气载荷步；约束空气弹簧上点、减振器上点、副车架与车身连接点1-6自由度，并约束轮心垂向自由度，空气弹簧充气至指定姿态压力目标p0，提取此时轮心的垂向支反力fzw0；
[0076]
462)定义悬架位移载荷步；轮心位置解除垂向约束，并施加垂向位移载荷uzw，提取轮心的垂向支反力fzw、减振器下点位移uj、减振器上点支反力fj、空簧下点的位移us、空簧上点的支反力fs、支反力矩ms，并生成轮心垂向载荷-位移曲线即uzw-fzw曲线、减振器载荷曲线即uzw-fj曲线、空气弹簧载荷曲线即uzw-fs曲线；
[0077]
其中，悬架位移定义为轮心垂向上跳行程极限，求解强度分析模型后提取第二个载荷步结构件的应力场s。
[0078]
进一步的，所述步骤五的具体方法如下：
[0079]
51)强度校核；按照式(7)规定的方式进行结构强度校核：
[0080]
n＝σ
max
/[σ]
ꢀꢀ
(7)
[0081]
式中，σ
max
是结构件应力场s中的最大应力值；[σ]是结构件的许用应力；n为空簧结构件在极限使用条件下的安全系数；
[0082]
a)若满足以下条件：
[0083]
n》1
ꢀꢀ
(8)
[0084]
则判定结构件满足强度设计要求，流程结束；
[0085]
b)若不满足式(8)规定的条件，判定空簧结构件强度不满足设计要求，转到步骤52)；
[0086]
52)结构优化迭代；对结构件进行结构优化，针对优化后的结构，重复进行步骤41)-步骤51)的操作，直至满足式(8)的要求，结束设计。
[0087]
第二方面，本发明实施例还提供了一种空气弹簧系统结构件设计装置，包括：
[0088]
第一建模模块，用于建立高精度空气弹簧轴对称有限元模型；
[0089]
第二建模模块，用于建立高精度空气弹簧实体有限元模型；
[0090]
建模及仿真分析模块，用于将高精度空气弹簧实体有限元模型导入悬架系统进行空气悬架建模及仿真分析；
[0091]
强度仿真分析模块，用于对空气弹簧系统中结构件进行仿真分析；
[0092]
强度校核及优化模块，用于对空簧系统中结构件进行校核及高强度设计。
[0093]
进一步的，所述第一建模模块包括：
[0094]
建立空气弹簧轴对称分析模型模块，用于建立空气弹簧轴对称分析模型；
[0095]
建立辅助柔性体模型模块，用于建立辅助柔性体模型；
[0096]
定义仿真工况模块，用于定义仿真工况；
[0097]
第一有限元模型求解模块，用于对空气弹簧轴对称简化分型模型进行求解；
[0098]
判定仿真精度模块，用于判定仿真空气弹簧轴对称模型是否满足仿真精度要求；
[0099]
所述第二建模模块包括：
[0100]
生成实体有限元网格模型模块，用于生成实体有限元网络模型；
[0101]
定义辅助柔性体模块，用于定义囊皮网格的柔性体属性，并与超弹性材料关联；
[0102]
更新模型参数模块，用于更新模型参数，包括3d单元的变形体属性、平面帘线单元的加强筋属性，重新定义基于3d单元的结构刚体属性，并更新空簧零部件表面的接触面；
[0103]
更新边界及载荷条件模块，用于更新所有自由度方向上的整体边界条件、充气载荷步的边界条件、轴向位移载荷步中的边界条件；
[0104]
第二有限元模型求解模块，用于求解空调弹簧实体分析模型；
[0105]
第一判定仿真精度模块，用于判断空气弹簧实体有限元模型是否满足仿真精度要求；
[0106]
所述建模及仿真分析模块包括：
[0107]
导入实体模型模块，用于导入高精度空气弹簧实体模型；
[0108]
空气弹簧模型姿态修正模块，用于修正空气弹簧模型的姿态；
[0109]
空气弹簧模型位置修正模块，用于修正空气弹簧模型的位置；
[0110]
第一空气悬架加载模块，用于对空气悬架进行加载；
[0111]
第二判定仿真精度模块，用于判断空气悬架模型轮心垂向载荷是否满足精度要求；
[0112]
所述强度仿真分析模块包括：
[0113]
模型替换模块，用于将网格导入空气悬架模型，并调至正确位置和姿态，保持辅助柔性体网格不变；
[0114]
删除刚体模块，用于将结构件强度仿真分析模型中不涉及的刚体模型及参考点删除；
[0115]
引入辅助分析结构模块，用于除分析对象外，将空簧系统结构件强度分析必需的结构网格导入空气悬架模型；
[0116]
定义接触模块，用于定义接触面以及接触面涉及的所有接触对；
[0117]
材料及属性定义模块，用于定义实际的材料特性，并根据结构及网格特点定义属性；
[0118]
模型求解模块，用于求解强度分析模型后提取第二个载荷步结构件的应力场s；
[0119]
所述强度校核及优化模块包括：
[0120]
强度校核模块，用于对空气弹簧系统结构件进行强度校核；
[0121]
结构优化模块，用于对空气弹簧系统结构件进行优化，直至满足要求。
[0122]
第三方面，本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如本发明实
施例中任一所述的一种空气弹簧系统结构件设计方法。
[0123]
第四方面，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本发明实施例中任一所述的一种空气弹簧系统结构件设计方法。
[0124]
本发明的有益效果为：
[0125]
1)本发明采用柔性体辅助法建模 流固耦合求解组合法进行结构强度分析，仿真分析每一增量步根据分析结果调整接触状态及结构刚度，正确描述结构受载下柔性结构大变形力学行为。避免有限元建模中连接单元的类型及连接位置与导致的误差，保证仿真精度；
[0126]
2)本发明采用系统分析替代单件分析，正确体现受载条件下装配间隙及接触关系变化，提高结构仿真精度。
附图说明
[0127]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0128]
图1为膜式空簧结构及轴对称有限元模型图；
[0129]
图2为空调载荷-位移曲线示意图；
[0130]
图3为一种空气弹簧系统结构件设计方法流程图；
[0131]
图4为一种空气弹簧系统结构件设计装置的结构示意图；
[0132]
图5为一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
[0133]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0134]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0135]
实施例一
[0136]
图3为本发明实施例一提供的一种空气弹簧系统结构件设计方法的流程图，本实施例可适用于空气弹簧系统结构件设计的情况，该方法可以由本发明实施例中的空气弹簧系统结构件设计装置来执行，该装置可采用软件和/或硬件的方式实现，如图3所示，该方法具体包括如下步骤：
[0137]
步骤一、建立高精度空气弹簧轴对称有限元模型；
[0138]
所述步骤一的具体方法如下：
[0139]
11)建立空气弹簧轴对称分析模型；
[0140]
基于空气弹簧的任意一个对称面进行空气弹簧模型网格划分，定义空簧上盖、下盖及卡环的刚体属性、刚体参考点；定义空簧模型中刚体以及弹性体的接触面及接触关系；划分囊体单元、加强帘线单元，并定义帘线单元的加强筋属性，建立空气弹簧轴对称有限元模型；
[0141]
其中，可以采用abaqus或mrac等通用的有限元分析软件进行空气弹簧建模。在橡胶囊皮厚度方向上确保至少4层网格。并且应确保空气弹簧轴对称模型的对称轴与坐标轴重合，否则应调整模型的姿态。
[0142]
12)建立辅助柔性体；
[0143]
定义超弹性材料及柔性体属性，并将空簧囊皮部分与超弹性材料及柔性体属性关联；基于囊体网格及部分结构网格定义流固耦合界面，作为空气与结构的作用面，并定义界面的流固耦合属性；定义柔性体结构的外表面接触面，并定义与之关联的接触对；
[0144]
其中，超弹性材料参数可以基于多种本构关系进行定义，所需的参数不完全相同。以mooner rivlin模型为例，需要定义超弹性材料三个参数：c10、c01、d1。并且应确保空气与结构的界面能与对称轴结合形成封闭的腔体，否则应调整模型以满足要求。
[0145]
13)定义仿真工况；
[0146]
设定轴对称空簧模型仿真的边界条件，并定义载荷步：空簧充气至设计目标值p0，空簧沿对称轴方向轴向位移载荷[-u1，u1]；
[0147]
14)有限元模型求解；
[0148]
求解空气弹簧轴对称简化分析模型，提取空气弹簧的沿对称轴方向的支反力f0，提取支反力与轴向位移的关系，生成f-u曲线，并提取指定位移条件下的支反力，通过后处理获得指定位移的刚度；
[0149]
其中，可以采用abaqus或mrac等通用的有限元分析软件进行空气弹簧求解，基于隐式和显式求解器均能进行空气空气弹簧模型的仿真计算。另外，需确保加载过程所有的加强帘线单元始终位于橡胶囊皮单元中，否则应重复步骤11)至步骤13)的工作，在步骤11)中通过单元嵌入命令提高模型精度；
[0150]
一般来说，提取的支反力为上盖与上卡环的轴向支反力合力，或下盖与下卡环的支反力合力，见图1所示。为简化后处理流程，可在11)中将上盖与上卡环合并处理成1个刚体结构，将下盖与下卡环同样处理成1个刚体结构。
[0151]
指定位移载荷u2下的刚度通过f-u曲线后处理获得，如图2所示中，u2处曲线的斜率k2即为该行程下空气弹簧的刚度。
[0152]
15)判定仿真精度；
[0153]
在f-u曲线上按照位移条件选取若干个点，按照式(1)计算空气弹簧支反力差值
△fi”和空气弹簧刚度差值
△
k”i
：
[0154][0155]
式中，fdi是设计目标曲线上的轴向力；kdi是设计目标曲线上的轴向力和刚度；fi'是空簧仿真曲线对应载荷条件下的轴向力差；k'i是空簧仿真曲线对应载荷条件下的刚度差。
[0156]
a)若满足以下条件：
[0157][0158]
则判定仿真空簧轴对称模型满足仿真精度要求；
[0159]
b)若不满足式(2)规定的条件，判定空簧仿真精度不达标，需重复步骤11)-13)的过程，重新定义材料、属性、接触条件，直至达成式(2)规定的精度，判定空簧轴对称模型满足仿真精度要求。
[0160]
其中，建议取值位置大于5处，以保证刚度仿真的精度。
[0161]
步骤二、基于步骤一建立的高精度空气弹簧轴对称有限元模型建立高精度空气弹簧实体有限元模型；
[0162]
所述步骤二的具体方法如下：
[0163]
21)生成实体有限元网格；将步骤一中建立的空气弹簧轴对称有限元模型绕着对称轴旋转，生成实体单元的空气弹簧网格，并删除原有轴对称网格；
[0164]
其中，需控制空气弹簧圆周方向网格数量，考虑仿真精度及六面体网格质量，建议周向网格数量大于100个。
[0165]
22)定义辅助柔性体；在实体模型中定义囊皮网格的柔性体属性，并与超弹性材料关联；
[0166]
其中，若柔性体适用单元类型与其它实体单元不相同，需修改为正确类型。
[0167]
23)更新模型参数；更新结构3d单元的变形体属性、平面帘线单元的加强筋属性，重新定义基于3d单元的结构刚体属性，并更新空簧零部件表面的接触面；
[0168]
其中，针对于针对囊皮、上盖、下盖等结构定义为实体属性，并按需定义刚体，并确保刚体的参考点始终处于模型的对称轴线上。
[0169]
24)更新耦合作用区；重新定义封闭的流体与固体交界区域，包括囊皮、上盖、下盖结构的部分内表面，作为空气与结构之间的相互作用面；重新定义囊皮外表面接触面，空簧结构之间相互接触关系保持不变；
[0170]
其中，为确保柔性囊皮结构与其它结构件之间的接触关系及模型收敛性，建议可以通过定义通用接触的方式表征空簧系统各零部件之间的复杂接触关系。
[0171]
25)更新边界及载荷条件；定义所有自由度方向上的整体边界条件、充气载荷步的边界条件、轴向位移载荷步中的边界条件；
[0172]
其中，为保证流体腔的封闭性，建议卡环压装的囊皮部分与上盖、下盖结构网格做共节点处理。
[0173]
26)有限元模型求解；求解空气弹簧实体分析模型，提取空气弹簧沿对称轴方向的支反力与轴向位移的关系，生成f-u曲线，并提取指定位移载荷条件下的支反力，求解指定位移载荷条件下空簧的刚度值；
[0174]
其中，涉及超弹性材料结构大变形，为避免收敛性问题，建议采用显式求解器分析，并需保证分析过程中模型的动能与内能的比值小于0.05
[0175]
27)判定仿真精度；基于步骤26)求解的空簧支反力和刚度值，按照式(1)计算支反力差值和刚度差值
[0176][0177]
式中，
△fi”为空气弹簧支反力差值；
△
k”i
为空气弹簧刚度差值：fdi是设计目标曲线上的轴向力；kdi是设计目标曲线上的轴向力和刚度；fi'是空簧仿真曲线对应载荷条件下的轴向力差；k'i是空簧仿真曲线对应载荷条件下的刚度差；
[0178]
a)若支反力差值及刚度差值满足式(2)的条件，判定空簧实体有限元模型满足仿真精度要求；
[0179]
b)若支反力差值及刚度差值不满足式(2)的条件，判定空气弹簧实体有限元模型不满足仿真精度要求，需重复步骤21)-27)的过程，重新定义网格尺寸、接触、边界条件，直至达成式(2)规定精度，判定空簧实体有限元模型满足仿真精度要求；
[0180][0181]
步骤三、将步骤二中建立的高精度空气弹簧实体有限元模型导入悬架系统进行空气悬架建模及仿真分析；
[0182]
所述步骤三的具体方法为：
[0183]
31)导入实体模型；选取指定姿态下的悬架模型，导入步骤二中的高精度空气弹簧实体有限元模型；
[0184]
其中，悬架模型姿态决定于空气弹簧平衡状态对应的姿态，即空气弹簧在悬架中保持轴对称结构时对应的悬架姿态，建议步骤一和步骤二分析姿态保持一致，否则应重复步骤一与步骤二过程，更新实体空气弹簧模型。
[0185]
悬架模型可以是实体单元的有限元网格模型，也可以是杆系单元与连接副单元组合的简化模型。
[0186]
32)空气弹簧模型姿态修正；将空气弹簧下盖刚体结构的参考点与弹簧下点重合，量取弹簧上点、弹簧下点、上盖刚体参考点形成的夹角，并在三点形成的平面上将空气弹簧模型按照量取角度旋转，确保包含辅助柔性体的空簧实体模型轴线与弹簧设计轴线一致；
[0187]
其中，通过弹簧上点、弹簧下点、上盖刚体参考点量取的夹角为实体空簧模型轴线与弹簧实际轴线形成的角，以弹簧下点为顶点；实体空簧模型旋转的中心轴定义为垂直于三点确定的平面且通过弹簧下点的直线。
[0188]
33)空气弹簧模型位置修正；沿弹簧轴向移动空簧，直至弹簧下盖与设计位置重合，此时上盖位置也处于设计位置；
[0189]
34)调整空气弹簧模型；修改空气弹簧有限元模型中的刚体定义，将弹簧下点更新为下盖的刚体参考点，将弹簧上点更新为上盖的刚体参考点；
[0190]
35)空气悬架加载，按照以下过程分为2个载荷步进行空气悬架加载；
[0191]
351)定义空簧充气载荷步；约束空气弹簧上点、减振器上点、副车架与车身连接点1-6自由度，并约束轮心垂向自由度，空气弹簧充气至指定姿态压力目标p0，提取此时轮心的垂向支反力fzw0；
[0192]
其中，351)适用于弹减分离式悬架，对于弹减一体式悬架，弹簧通道与减振器通道在一条轴线上，只约束减振器上点；
[0193]
352)定义悬架位移载荷步；轮心位置解除垂向约束，并施加垂向位移载荷uzw，提取轮心的垂向支反力fzw、减振器下点位移uj、减振器上点支反力fj、空簧下点的位移us、空簧上点的支反力fs、支反力矩ms，并生成轮心垂向载荷-位移曲线即uzw-fzw曲线、减振器载荷曲线即uzw-fj曲线、空气弹簧载荷曲线即uzw-fs曲线；
[0194]
其中，当弹簧和减振器方向与整车垂向不一致时，需要提取指定方向上的支反力，方向与试验测试定义方向保持一致。
[0195]
36)判断仿真进度；通过空气悬架系统试验与系统仿真结果对比判定仿真精度，按照以下步骤进行：
[0196]
361)在轮心垂向载荷-位移曲线上按照位移条件取若干个点，按照式(3)计算轮心载荷仿真与试验的差值：
[0197]
△
fzwi＝|fzw
i-fzw'i|
ꢀꢀ
(3)
[0198]
式中，fzwi是轮心垂向载荷的仿真值；fzw'i是轮心垂向载荷的试验值；
△
fzwi是轮心垂向载荷仿真与试验的差值；
[0199]
a)若满足以下条件：
[0200]
△
fzwi≤0.01*fzw'iꢀꢀ
(4)
[0201]
则判定轮心垂向载荷仿真精度满足要求，转到步骤362)；
[0202]
b)若不满足式(4)规定的条件，则判定轮心垂向载荷仿真精度不满足要求，需重复步骤31)-步骤35)的操作，并调整模型中弹性连接单元的刚度属性，直至满足式(4)；此时判定空气悬架模型轮心垂向载荷仿真精度满足要求，转到步骤362)；
[0203]
362)在减振器载荷曲线及空气弹簧载荷曲线上分别取若干个点，按照式(5)分别计算减振器与弹簧载荷试验与仿真的差值：
[0204][0205]
式中，fji和fsi分别是减振器和弹簧载荷的仿真值；fj'i和fs'i分别是减振器和弹簧载荷的试验值；
△
fji是和
△
fs分别是减振器和弹簧载荷仿真与试验的差值；
[0206]
a)若满足以下条件：
[0207][0208]
则判定空气悬架的仿真精度满足要求；
[0209]
b)若不满足式(6)规定的条件，判定垂向载荷在弹簧和减振器通道的分配不符合实际，空气悬架仿真精度不满足要求，需重复步骤31)-步骤35)的操作，重点调整模型中减振器通道刚度曲线，直至满足式(6)，此时判定空气悬架模型满足仿真精度要求。
[0210]
其中，由于试验加载初始阶段载荷克服系统装配间隙导致试验曲线初始阶段不稳定，因此精度对比中应避开试验信号不稳定的阶段
[0211]
步骤四、结构件强度仿真分析；
[0212]
所述步骤四的具体方法如下：
[0213]
41)模型替换；基于空气弹簧系统结构件几何模型划分网格，将网格导入空气悬架模型，并调至位置和姿态，保持辅助柔性体网格不变；
[0214]
其中，步骤41)中空气弹簧结构件的网格需要满足以下条件：
[0215]
a)轴对称结构,采用一阶六面体网格，倒角位置表面划分大于3排单元，并保证结构厚度方向上网格大于4层。
[0216]
b)非轴对称结构，采用二阶四面体网格，网格角度介于15和120度之间，倒角位置表面划分大于3排单元，结构任意位置沿厚度方向上确保超过2层单元。
[0217]
42)删除刚体；将结构件强度仿真分析模型中不涉及的刚体模型及参考点删除；
[0218]
其中，除分析目标结构外，尽可能保留刚体结构。以上盖强度分析为例，下盖模型可以保持为刚体属性，同样在下盖强度分析中可保持上盖结构刚体属性。
[0219]
43)引入辅助分析结构；除分析对象外，将空簧系统结构件强度分析必需的结构网格导入空气悬架模型；
[0220]
其中，引入空簧系统结构件分析中所必须的结构，主要目的是为结构件分析提供高精度的载荷传递方式及边界条件。特别的，对于杆系单元的悬架模型，必须要引入辅助分析结构。以上盖分析为例，可引入与之相连的局部车身结构，并在车身网格边缘定义边界条件。下盖分析可引入与之装配的控制臂及相关结构网格，并定义相互之间的接触和连接关系。
[0221]
44)定义接触；针对步骤41)和步骤43)引入的模型定义接触面，以及接触面涉及的所有接触对；
[0222]
其中，对于模型或接触关系复杂的结构，建议定义通用接触。
[0223]
45)材料及属性定义；针对步骤41)和步骤43)引入模型，定义实际的材料特性，并根据结构及网格特点定义属性；
[0224]
其中，对于刚度较大的辅助结构，如上盖分析中的车身连接纵梁，建议定义刚体属性。对于刚度较底或参与变形的结构，如e型多连杆的下控制臂，建议定义为变形体属性。
[0225]
46)模型求解；加载，加载过程如下：
[0226]
461)定义空簧充气载荷步；约束空气弹簧上点、减振器上点、副车架与车身连接点1-6自由度，并约束轮心垂向自由度，空气弹簧充气至指定姿态压力目标p0，提取此时轮心的垂向支反力fzw0；
[0227]
462)定义悬架位移载荷步；轮心位置解除垂向约束，并施加垂向位移载荷uzw，提取轮心的垂向支反力fzw、减振器下点位移uj、减振器上点支反力fj、空簧下点的位移us、空簧上点的支反力fs、支反力矩ms，并生成轮心垂向载荷-位移曲线即uzw-fzw曲线、减振器载荷曲线即uzw-fj曲线、空气弹簧载荷曲线即uzw-fs曲线；
[0228]
其中，悬架位移定义为轮心垂向上跳行程极限，求解强度分析模型后提取第二个载荷步结构件的应力场s。
[0229]
其中，轮心垂向上跳行程极限对应与空簧压缩的极限状态，此时空簧承受设计条件下的最大载荷。
[0230]
步骤五、结构件强度校核及优化；
[0231]
所述步骤五的具体方法如下：
[0232]
51)强度校核；按照式(7)规定的方式进行结构强度校核：
[0233]
n＝σ
max
/[σ]
ꢀꢀ
(7)
[0234]
式中，σ
max
是结构件应力场s中的最大应力值；[σ]是结构件的许用应力；n为空簧结
构件在极限使用条件下的安全系数；
[0235]
a)若满足以下条件：
[0236]
n》1
ꢀꢀ
(8)
[0237]
则判定结构件满足强度设计要求，流程结束；
[0238]
b)若不满足式(8)规定的条件，判定空簧结构件强度不满足设计要求，转到步骤52)；
[0239]
52)结构优化迭代；对结构件进行结构优化，针对优化后的结构，重复进行步骤41)-步骤51)的操作，直至满足式(8)的要求，结束设计。
[0240]
其中，若结构危险位置数量较少，建议单独针对危险位置进行结构优化；若不满足设计要求的位置数量较多，建议结合专业的结构优化仿真软件进行结构优化，在结构优化仿真中可以设定应力条件作为优化约束或优化目标。
[0241]
实施例二
[0242]
参阅图4，一种空气弹簧系统结构件设计装置，包括：
[0243]
第一建模模块，用于建立高精度空气弹簧轴对称有限元模型；
[0244]
所述第一建模模块包括：
[0245]
建立空气弹簧轴对称分析模型模块，用于建立空气弹簧轴对称分析模型；
[0246]
建立辅助柔性体模型模块，用于建立辅助柔性体模型；
[0247]
定义仿真工况模块，用于定义仿真工况；
[0248]
第一有限元模型求解模块，用于对空气弹簧轴对称简化分型模型进行求解；
[0249]
判定仿真精度模块，用于判定仿真空气弹簧轴对称模型是否满足仿真精度要求。
[0250]
第二建模模块，用于建立高精度空气弹簧实体有限元模型；
[0251]
所述第二建模模块包括：
[0252]
生成实体有限元网格模型模块，用于生成实体有限元网络模型；
[0253]
定义辅助柔性体模块，用于定义囊皮网格的柔性体属性，并与超弹性材料关联；
[0254]
更新模型参数模块，用于更新模型参数，包括3d单元的变形体属性、平面帘线单元的加强筋属性，重新定义基于3d单元的结构刚体属性，并更新空簧零部件表面的接触面；
[0255]
更新边界及载荷条件模块，用于更新所有自由度方向上的整体边界条件、充气载荷步的边界条件、轴向位移载荷步中的边界条件；
[0256]
第二有限元模型求解模块，用于求解空调弹簧实体分析模型；
[0257]
第一判定仿真精度模块，用于判断空气弹簧实体有限元模型是否满足仿真精度要求。
[0258]
建模及仿真分析模块，用于将高精度空气弹簧实体有限元模型导入悬架系统进行空气悬架建模及仿真分析；
[0259]
所述建模及仿真分析模块包括：
[0260]
导入实体模型模块，用于导入高精度空气弹簧实体模型；
[0261]
空气弹簧模型姿态修正模块，用于修正空气弹簧模型的姿态；
[0262]
空气弹簧模型位置修正模块，用于修正空气弹簧模型的位置；
[0263]
第一空气悬架加载模块，用于对空气悬架进行加载；
[0264]
第二判定仿真精度模块，用于判断空气悬架模型轮心垂向载荷是否满足精度要
求。
[0265]
强度仿真分析模块，用于对空气弹簧系统中结构件进行仿真分析；
[0266]
所述强度仿真分析模块包括：
[0267]
模型替换模块，用于将网格导入空气悬架模型，并调至正确位置和姿态，保持辅助柔性体网格不变；
[0268]
删除刚体模块，用于将结构件强度仿真分析模型中不涉及的刚体模型及参考点删除；
[0269]
引入辅助分析结构模块，用于除分析对象外，将空簧系统结构件强度分析必需的结构网格导入空气悬架模型；
[0270]
定义接触模块，用于定义接触面以及接触面涉及的所有接触对；
[0271]
材料及属性定义模块，用于定义实际的材料特性，并根据结构及网格特点定义属性；
[0272]
模型求解模块，用于求解强度分析模型后提取第二个载荷步结构件的应力场s。
[0273]
强度校核及优化模块，用于对空簧系统中结构件进行校核及高强度设计。
[0274]
所述强度校核及优化模块包括：
[0275]
强度校核模块，用于对空气弹簧系统结构件进行强度校核；
[0276]
结构优化模块，用于对空气弹簧系统结构件进行优化，直至满足要求。
[0277]
实施例三
[0278]
图5为本发明实施例三中的一种计算机设备的结构示意图。图5示出了适于用来实现本发明实施方式的示例性计算机设备102的框图。图5显示的计算机设备102仅仅是一个示例，不应对本发明实施例的功能和使用范围带来任何限制。
[0279]
如图5所示，计算机设备102以通用计算设备的形式表现。计算机设备102的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元16，系统存储器28，连接不同系统组件(包括系统存储器28和处理单元16)的总线18。
[0280]
总线18表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(isa)总线，微通道体系结构(mac)总线，增强型isa总线、视频电子标准协会(vesa)局域总线以及外围组件互连(pci)总线。
[0281]
计算机设备102典型地包括多种计算机系统可读介质。这些介质可以是任何能够被计算机设备102访问的可用介质，包括易失性和非易失性介质，可移动的和不可移动的介质。
[0282]
系统存储器28可以包括易失性存储器形式的计算机系统可读介质，例如随机存取存储器(ram)30和/或高速缓存存储器32。计算机设备102可以进一步包括其它可移动/不可移动的、易失性/非易失性计算机系统存储介质。仅作为举例，存储系统34可以用于读写不可移动的、非易失性磁介质(图5未显示，通常称为“硬盘驱动器”)。尽管图5中未示出，可以提供用于对可移动非易失性磁盘(例如“软盘”)读写的磁盘驱动器，以及对可移动非易失性光盘(例如cd-rom,dvd-rom或者其它光介质)读写的光盘驱动器。在这些情况下，每个驱动器可以通过一个或者多个数据介质接口与总线18相连。存储器28可以包括至少一个程序产品，该程序产品具有一组(例如至少一个)程序模块，这些程序模块被配置以执行本发明各
实施例的功能。
[0283]
具有一组(至少一个)程序模块42的程序/实用工具40，可以存储在例如存储器28中，这样的程序模块42包括——但不限于——操作系统、一个或者多个应用程序、其它程序模块以及程序数据，这些示例中的每一个或某种组合中可能包括网络环境的实现。程序模块42通常执行本发明所描述的实施例中的功能和/或方法。
[0284]
计算机设备102也可以与一个或多个外部设备14(例如键盘、指向设备、显示器24等)通信，还可与一个或者多个使得用户能与该计算机设备102交互的设备通信，和/或与使得该计算机设备102能与一个或多个其它计算设备进行通信的任何设备(例如网卡，调制解调器等等)通信。这种通信可以通过输入/输出(i/o)接口22进行。另外，本实施例中的计算机设备102，显示器24不是作为独立个体存在，而是嵌入镜面中，在显示器24的显示面不予显示时，显示器24的显示面与镜面从视觉上融为一体。并且，计算机设备102还可以通过网络适配器20与一个或者多个网络(例如局域网(lan)，广域网(wan)和/或公共网络，例如因特网)通信。如图所示，网络适配器20通过总线18与计算机设备102的其它模块通信。应当明白，尽管图中未示出，可以结合计算机设备102使用其它硬件和/或软件模块，包括但不限于：微代码、设备驱动器、冗余处理单元、外部磁盘驱动阵列、raid系统、磁带驱动器以及数据备份存储系统等。
[0285]
处理单元16通过运行存储在系统存储器28中的程序，从而执行各种功能应用以及数据处理，例如实现本发明实施例所提供的一种空气弹簧系统结构件设计方法。
[0286]
实施例四
[0287]
本发明实施例四提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如本技术所有发明实施例提供的一种空气弹簧系统结构件设计方法。
[0288]
可以采用一个或多个计算机可读的介质的任意组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本文件中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。
[0289]
计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括——但不限于——电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。
[0290]
计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括——但不限于——无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0291]
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本发明操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c ，
还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
[0292]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。