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橡膠材料由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性，在軌道車輛中廣泛用于減震降噪裝置，起承載、懸掛、牽引、隔震和緩沖的作用。橡膠材料具有復(fù)雜的分子特性及材料和幾何的雙重非線性，使得研究和建立材料的有限元分析模型較困難，且橡膠減震器外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難通過(guò)解析公式預(yù)測(cè)其剛度、強(qiáng)度和疲勞壽命，因此對(duì)復(fù)雜的金屬一橡膠彈性減震元件的研究主要借助于有限元分析軟件。橡膠材料本構(gòu)模型的選擇和模型參數(shù)的確定是有限元分析的關(guān)鍵，然而國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)化組織也沒有給出合適的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，因此研究不同的模型及模型參數(shù)對(duì)彈性減震元件有限元分析的影響意義重大。
金屬一橡膠彈性減震元件與傳統(tǒng)金屬?gòu)椈上啾龋哂薪Y(jié)構(gòu)易于調(diào)整、減震降噪功效顯著、體積和質(zhì)量小、無(wú)磨耗、免維護(hù)及安裝使用方便等優(yōu)點(diǎn)。本工作研究超彈模型參數(shù)對(duì)一種“三明治”式的金屬一橡膠復(fù)合錐形彈簧(以下簡(jiǎn)稱錐形簧)垂直剛度和強(qiáng)度分析的影響。
錐形簧是金屬和橡膠疊層粘合構(gòu)成的整體構(gòu)件。該產(chǎn)品用作空氣彈簧的輔助彈簧，在空氣彈簧氣囊不工作時(shí)起主要承載作用，同時(shí)滿足車輛的運(yùn)行要求。錐形簧的設(shè)計(jì)有嚴(yán)格的撓度限制和剛度要求，且應(yīng)避免應(yīng)力集中的產(chǎn)生。因此用有限元分析軟件研究錐形簧的剛度和強(qiáng)度特性不僅能縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，還能節(jié)約大量試驗(yàn)費(fèi)用。
超彈性材料的應(yīng)變能密度函數(shù)是一個(gè)應(yīng)變或變形張量的標(biāo)量函數(shù)，該標(biāo)量函數(shù)對(duì)應(yīng)變分量的導(dǎo)數(shù)就是相應(yīng)的應(yīng)力分量。
超彈性材料的力學(xué)特性比金屬材料復(fù)雜得多，超彈性應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系通常在拉伸、壓縮和剪切變形中明顯不同。因此全面描述橡膠變形特性的靜態(tài)應(yīng)力一應(yīng)變?cè)囼?yàn)應(yīng)包括單軸拉伸、雙軸拉伸和平面剪切。某橡膠典型的3種應(yīng)力一應(yīng)變曲線，試驗(yàn)數(shù)據(jù)用來(lái)定義材料的模型參數(shù)。
根據(jù)錐形簧大變形的實(shí)際負(fù)荷情況，選擇Ogden本構(gòu)模型能對(duì)大應(yīng)變水平的求解提供最好的近似，同時(shí)較高階的模型可提供更精確的解。Ogden模型具有較廣泛的適用性。
較高階Ogden模型可提供更精確的解，但是由于誤差累計(jì)，將其用于有限元計(jì)算時(shí)會(huì)導(dǎo)致收斂困難，因此不建議采用太高階的模型。本研究用3 ~5階Ogden模型擬合錐形簧的負(fù)荷一位移特性曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，找出最能反應(yīng)錐形簧特性的模型階數(shù)，用于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。
錐形簧的結(jié)構(gòu)和所受負(fù)荷都具有軸對(duì)稱性，因此使用軸對(duì)稱單元以提高分析效率。橡膠層使用Plane 182單元，鋼板層使用Plane 42單元，建立的有限元模型共有1908個(gè)單元1675個(gè)節(jié)點(diǎn)由于橡膠在周邊尺寸不變的情況下幾乎是不可壓縮的，即變形時(shí)僅僅是形狀改變而體積幾乎保持不變，因此錐形簧各橡膠層端部自由表面外形呈雙曲線形狀。由于錐形簧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接在Ansys軟件中建立有限元模型特別復(fù)雜，因此在其ICEM CFD專業(yè)前處理工具中建立有限元模型。在ICEM CFD中建立的是規(guī)整的映射網(wǎng)格，對(duì)于具有大變形特性的橡膠材料，該網(wǎng)格能很好地滿足分析要求。網(wǎng)格在局部位置進(jìn)行重劃，局部重劃不會(huì)影響分析質(zhì)量。
本研究錐形簧空載時(shí)負(fù)荷為38 kN，滿載時(shí)負(fù)荷為90 kN，正常工況下的負(fù)荷為64 kN，各負(fù)荷階段錐形簧的剛度和撓度有明確的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)錐形簧實(shí)際工況，對(duì)芯軸端部各節(jié)點(diǎn)施加垂直負(fù)荷，研究Ogden模型參數(shù)對(duì)錐形簧有限元分析的影響。
根據(jù)錐形簧實(shí)際工況，采用不同階數(shù)Ogden模型分析其靜剛度曲線。從圖可以看出，錐形簧負(fù)荷小于40 kN時(shí)，3階Ogden模型的分析結(jié)果與試驗(yàn)值較吻合，負(fù)荷大于60 kN時(shí)與試驗(yàn)值相差甚遠(yuǎn)，因此在分析錐形簧小負(fù)荷作用時(shí)可選用該模型；負(fù)荷為45~70 kN時(shí)4階Ogden模型的分析結(jié)果與試驗(yàn)值最相符合；負(fù)荷大于70 kN時(shí)5階Ogden模型的分析結(jié)果與試驗(yàn)值較吻合，在低負(fù)荷作用時(shí)與試驗(yàn)值相差較大，因此分析錐形簧超常負(fù)荷情況時(shí)可以選用該模型。由此可見，在錐形簧的整個(gè)負(fù)荷范圍(38 ~90kN)內(nèi)，4階Ogden模型的分析結(jié)果與試驗(yàn)值較符合。
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