機(jī)車車輛用橡膠定位器的有限元分析與研究

1、機(jī)車車輛用橡膠定位器的有限元分析與研究定位器, 有限元分析, 橡膠, 機(jī)車, 研究摘要：本文利用Ansys5.7版的新增橡膠本構(gòu)模型，同時(shí)，采用我公司在美國(guó)AXEL實(shí)驗(yàn)室的所做的橡膠材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做為分析輸入，對(duì)高速重載機(jī)車車輛用橡膠定位器產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析。并研究產(chǎn)品的隔板傾角的變化及橡膠層數(shù)對(duì)三向剛度性能的影響。關(guān)鍵詞：橡膠，有限元，ANSYS，定位器在鐵路不斷提速的同時(shí)，對(duì)乘車的安全性和舒適性也提出了更高的要求。為了能滿足人們的要求，機(jī)車上的橡膠減振產(chǎn)品的應(yīng)用愈來(lái)愈多。對(duì)橡膠產(chǎn)品的要求也愈來(lái)愈高。通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)調(diào)節(jié)橡膠產(chǎn)品的各項(xiàng)性能，操作起來(lái)要耗費(fèi)大量的人力，物力，財(cái)力，同時(shí)也耗

2、費(fèi)大量的時(shí)間。隨著力學(xué)領(lǐng)域中有限元技術(shù)的不斷成熟，和大型商用有限元分析軟件的不斷發(fā)展和完善，利用有限元軟件來(lái)分析橡膠產(chǎn)品性能這種方法愈來(lái)愈為人們所重視。ANSYS軟件是國(guó)際知名的通用FEA軟件，能夠進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、溫度場(chǎng)分析，流場(chǎng)分析、以及電磁場(chǎng)分析。我公司自1997年引進(jìn)ANSYS軟件以來(lái)一直致力于橡膠產(chǎn)品的分析計(jì)算的研究，并將分析計(jì)算與實(shí)際生產(chǎn)緊密的聯(lián)系在一起。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了很大的作用。機(jī)車軸箱橡膠定位器的分析計(jì)算就是一個(gè)例子。機(jī)車用軸箱橡膠定位器是橡膠和金屬用通過(guò)硫化工藝粘合在一起共同承載的結(jié)構(gòu)。軸箱定位器在機(jī)車運(yùn)行時(shí)要承受垂向、橫向和縱向力作用，因此，為了能達(dá)到機(jī)車的運(yùn)行要求，定位器

3、三向剛度要滿足一定的剛度配比。比例的多少視實(shí)際工況的要求而定，本文所研究的產(chǎn)品的三向剛度的比值要求為：垂向(Z方向)：縱向(X方向)：橫向(Y方向)=1：14：9(注：垂向?yàn)樨Q直方向，縱向?yàn)槠叫杏阼F軌的方向，橫向?yàn)榇怪庇阼F軌的方向)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出來(lái)后的剛度試驗(yàn)結(jié)果為： 剛度比值為：垂向：縱向：橫向=1：10.2：5.95。剛度比值不能滿足工況要求，因此要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整以使產(chǎn)品的剛度比滿足要求。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的三向剛度存在關(guān)聯(lián)性，通過(guò)傳統(tǒng)的試制加實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)調(diào)節(jié)剛度配比難度很大，所以我們利用ANSYS5.7版軟件通過(guò)有限元分析來(lái)調(diào)節(jié)本產(chǎn)品三向剛度配比關(guān)系。首先對(duì)修改前的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)

4、果對(duì)比，以驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。具體分析過(guò)程如下。建立有限元模型在ANSYS軟件前處理中建立定位器的有限元模型，因?yàn)楸痉治鍪菫榱双@得產(chǎn)品的剛度結(jié)果，結(jié)構(gòu)中對(duì)剛度影響可以忽略的部位做了一些相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，在保證求解精度的前提下，能夠減少運(yùn)算時(shí)間，并能使程序易于收斂。其有限元模型如圖1所示。圖1 輸入材料常數(shù)輸入的材料常數(shù)的準(zhǔn)確與否是左右分析結(jié)果的關(guān)鍵之一。對(duì)于橡膠產(chǎn)品的分析這一點(diǎn)尤其重要。因?yàn)榫筒牧咸匦院蛶缀翁匦詠?lái)說(shuō)，橡膠是非線性的。橡膠的力學(xué)性能對(duì)溫度、環(huán)境、應(yīng)變歷史、加載速率和應(yīng)變率的影響相當(dāng)敏感，生產(chǎn)工藝和添加劑(如添加炭黑的多少和種類)對(duì)橡膠的力學(xué)性能也有重要影響。天然橡膠材料因產(chǎn)品的

5、加卸載過(guò)程耗能少，因此，可近似認(rèn)為橡膠材料是超彈性材料，對(duì)于超彈性材料，不用楊氏模量和泊松比表示應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，而用應(yīng)變勢(shì)能(U)來(lái)表達(dá)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)變勢(shì)能表達(dá)式如下： 式中：U應(yīng)變勢(shì)能Jel彈性體積比i1、i2應(yīng)變不變量Di定義材料的壓縮性CijRinvlin系數(shù)我們利用ANSYS5.7版本新增的Odgen(N=3)的模型進(jìn)行分析。加載，求解鐵件部分用三維八結(jié)點(diǎn)Solid45號(hào)實(shí)體單元來(lái)模擬，橡膠部分用三維八結(jié)點(diǎn)Hyper58號(hào)超彈性單元來(lái)模擬?？紤]到橡膠為超彈性材料，結(jié)構(gòu)劃分單元數(shù)較多，共劃分30893個(gè)單元。根據(jù)實(shí)際工況在不同的載荷步中分別施加垂向載荷、徑向載荷和軸向載荷。在ANSYS軟

6、件求解器中利用波前法求解，得出結(jié)果。結(jié)果分析計(jì)算所得的三向剛度結(jié)果如下表所示： 由計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知最大偏差為9.3%，這說(shuō)明有限元分析結(jié)果是可信的。因此我們利用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的剛度配比調(diào)整。根據(jù)我們有限元分析及產(chǎn)品開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，各種不同調(diào)整方法對(duì)產(chǎn)品的剛度影響情況如下所述。開(kāi)孔的角度對(duì)三向剛度的影響如圖2所示：圖2 由圖2顯示的結(jié)果可知，隨著槽孔的角度的不斷增加，三向剛度均在減小，但是三向剛度的減小的程度不同，相比之下橫向剛度減小的最為明顯，垂向剛度次之，縱向剛度的減小量最小。不同的隔板的傾斜角度對(duì)三向剛度的影響如圖3所示：圖3 由圖3的顯示的結(jié)果可知，隨著橡膠層的傾斜角度的不

7、斷增加，產(chǎn)品的橫向剛度和縱向剛度均在增加且增幅相當(dāng)均比較大，而產(chǎn)品的垂向剛度在傾斜角較小時(shí)(小于10.5°)，隨著角度的增加而略微減小，在傾斜角較大時(shí)則又隨著角度的增加而單調(diào)增加。不同開(kāi)孔層數(shù)對(duì)三向剛度的影響如圖4所示：圖4 由圖4的顯示的結(jié)果可知，隨著橡膠槽孔層數(shù)的增加，產(chǎn)品的三向剛度的值均單調(diào)遞減。而且，隨著槽孔的層數(shù)的增加產(chǎn)品的橫向剛度下降的最快，垂向剛度次之，縱向剛度則下降的最慢。不同橡膠硬度對(duì)三向剛度的影響如圖5所示：圖5 由和圖5的顯示的結(jié)果可知，隨著膠料硬度的增加，產(chǎn)品的三向剛度的值均單調(diào)遞增。而且，隨著橡膠的硬度的增加產(chǎn)品的橫向剛度和縱向剛度上升的幅度大致相同，均大于

8、垂向剛度的上升幅度。不同的橡膠層數(shù)對(duì)三向剛度的影響如圖6所示：圖6 由圖6的顯示的結(jié)果可知，隨著橡膠層數(shù)的增加，產(chǎn)品的三向剛度的值均單調(diào)遞增。而且，隨著橡膠的層數(shù)的增加產(chǎn)品的橫向剛度和縱向剛度上升的幅度大致相同，相比之下，垂向剛度上升的幅度較小。根據(jù)以上經(jīng)驗(yàn)，我們充分利用ANSYS軟件的計(jì)算分析功能,經(jīng)過(guò)反復(fù)多次的調(diào)整，才得出一個(gè)比較滿意的結(jié)果。調(diào)整后產(chǎn)品的三向剛度計(jì)算結(jié)果如下表所示。 此時(shí)產(chǎn)品三向剛度比為：垂向：縱向：橫向=1：13.4：8.6調(diào)整結(jié)構(gòu)后產(chǎn)品基本可以滿足三向剛度比的要求。產(chǎn)品橡膠部分的等效應(yīng)力云圖如下圖7，圖8所示：圖7縱向加載橡膠部分應(yīng)力云圖 圖8橫向加載橡膠部分應(yīng)力云圖 結(jié)論在調(diào)整橡膠定位器三向剛度配比方面，ANAYS軟件發(fā)揮了重要的作用。通過(guò)使用ANSYS軟件，可以使我們很方便的調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)。而且，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果也吻合的很好。參考文獻(xiàn)1、美國(guó)ANSYS公司，ANSYS非線性分析指南，1999年。2、美國(guó)ANSYS公司，1998年中國(guó)ANSYS用戶年會(huì)論文集，1999年。3、郭仲衡，非線性彈性理論，科學(xué)出版社，1980年。4、美國(guó)ANSYS公司，ANS