機車車輛用橡膠定位器的有限元分析與研究

1、機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, 機車, 研究摘要：本文利用Ansys5.7版的新增橡膠本構(gòu)模型，同時，采用我公司在美國AXEL實驗室的所做的橡膠材料的實驗數(shù)據(jù)做為分析輸入，對高速重載機車車輛用橡膠定位器產(chǎn)品進行有限元分析。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，對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，機車上的橡膠減振產(chǎn)品的應(yīng)用愈來愈多。對橡膠產(chǎn)品的要求也愈來愈高。通過傳統(tǒng)的實驗的方法來調(diào)節(jié)橡膠產(chǎn)品的各項性能，操作起來要耗費大量的人力，物力，財力，同時也耗

2、費大量的時間。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，利用有限元軟件來分析橡膠產(chǎn)品性能這種方法愈來愈為人們所重視。ANSYS軟件是國際知名的通用FEA軟件，能夠進行結(jié)構(gòu)分析、溫度場分析，流場分析、以及電磁場分析。我公司自1997年引進ANSYS軟件以來一直致力于橡膠產(chǎn)品的分析計算的研究，并將分析計算與實際生產(chǎn)緊密的聯(lián)系在一起。在實際應(yīng)用中發(fā)揮了很大的作用。機車軸箱橡膠定位器的分析計算就是一個例子。機車用軸箱橡膠定位器是橡膠和金屬用通過硫化工藝粘合在一起共同承載的結(jié)構(gòu)。軸箱定位器在機車運行時要承受垂向、橫向和縱向力作用，因此，為了能達到機車的運行要求，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：垂向為豎直方向，縱向為平行于鐵軌的方向，橫向為垂直于鐵軌的方向)新產(chǎn)品開發(fā)出來后的剛度試驗結(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，因此要對結(jié)構(gòu)進行調(diào)整以使產(chǎn)品的剛度比滿足要求。因為結(jié)構(gòu)的三向剛度存在關(guān)聯(lián)性，通過傳統(tǒng)的試制加實驗的方法來調(diào)節(jié)剛度配比難度很大，所以我們利用ANSYS5.7版軟件通過有限元分析來調(diào)節(jié)本產(chǎn)品三向剛度配比關(guān)系。首先對修改前的結(jié)構(gòu)進行分析，并將分析結(jié)果與實驗結(jié)

4、果對比，以驗證有限元分析的準確性。具體分析過程如下。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，因為本分析是為了獲得產(chǎn)品的剛度結(jié)果，結(jié)構(gòu)中對剛度影響可以忽略的部位做了一些相應(yīng)的簡化處理，在保證求解精度的前提下，能夠減少運算時間，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)的準確與否是左右分析結(jié)果的關(guān)鍵之一。對于橡膠產(chǎn)品的分析這一點尤其重要。因為就材料特性和幾何特性來說，橡膠是非線性的。橡膠的力學(xué)性能對溫度、環(huán)境、應(yīng)變歷史、加載速率和應(yīng)變率的影響相當敏感，生產(chǎn)工藝和添加劑(如添加炭黑的多少和種類)對橡膠的力學(xué)性能也有重要影響。天然橡膠材料因產(chǎn)品的

5、加卸載過程耗能少，因此，可近似認為橡膠材料是超彈性材料，對于超彈性材料，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)變勢能(U)來表達應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。應(yīng)變勢能表達式如下： 式中：U應(yīng)變勢能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)的模型進行分析。加載，求解鐵件部分用三維八結(jié)點Solid45號實體單元來模擬，橡膠部分用三維八結(jié)點Hyper58號超彈性單元來模擬?？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個單元。根據(jù)實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)果分析計算所得的三向剛度結(jié)果如下表所示： 由計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比可知最大偏差為9.3%，這說明有限元分析結(jié)果是可信的。因此我們利用ANSYS軟件進行結(jié)構(gòu)的剛度配比調(diào)整。根據(jù)我們有限元分析及產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)驗，各種不同調(diào)整方法對產(chǎn)品的剛度影響情況如下所述。開孔的角度對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均比較大，而產(chǎn)品的垂向剛度在傾斜角較小時(小于10.5°)，隨著角度的增加而略微減小，在傾斜角較大時則又隨著角度的增加而單調(diào)增加。不同開孔層數(shù)對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，我們充分利用ANSYS軟件的計算分析功能,經(jīng)過反復(fù)多次的調(diào)整，才得出一個比較滿意的結(jié)果。調(diào)整后產(chǎn)品的三向剛度計算結(jié)果如下表所示。 此時產(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)過實驗驗證，計算結(jié)果與實驗結(jié)果也吻合的很好。參考文獻1、美國ANSYS公司，ANSYS非線性分析指南，1999年。2、美國ANSYS公司，1998年中國ANSYS用戶年會論文集，1999年。3、郭仲衡，非線性彈性理論，科學(xué)出版社，1980年。4、美國ANSYS公司，ANS