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超弹参数对橡胶减震器有限元分析的影响

发布于:2022-07-06 22:39
有限元分析

      橡胶材料由于其独特的物理和化学特性,在轨道车辆中广泛用于减震降噪装置,起承载、悬挂、牵引、隔震和缓冲的作用。橡胶材料具有复杂的分子特性及材料和几何的双重非线性,使得研究和建立材料的有限元分析模型较困难,且橡胶减震器外形结构复杂,很难通过解析公式预测其刚度、强度和疲劳寿命,因此对复杂的金属一橡胶弹性减震元件的研究主要借助于有限元分析软件。橡胶材料本构模型的选择和模型参数的确定是有限元分析的关键,然而国内外标准化组织也没有给出合适的试验标准,因此研究不同的模型及模型参数对弹性减震元件有限元分析的影响意义重大。
      金属一橡胶弹性减震元件与传统金属弹簧相比,具有结构易于调整、减震降噪功效显著、体积和质量小、无磨耗、免维护及安装使用方便等优点。本工作研究超弹模型参数对一种“三明治”式的金属一橡胶复合锥形弹簧(以下简称锥形簧)垂直刚度和强度分析的影响。
      锥形簧是金属和橡胶叠层粘合构成的整体构件。该产品用作空气弹簧的辅助弹簧,在空气弹簧气囊不工作时起主要承载作用,同时满足车辆的运行要求。锥形簧的设计有严格的挠度限制和刚度要求,且应避免应力集中的产生。因此用有限元分析软件研究锥形簧的刚度和强度特性不仅能缩短产品的研发周期,还能节约大量试验费用。
      超弹性材料的应变能密度函数是一个应变或变形张量的标量函数,该标量函数对应变分量的导数就是相应的应力分量。
      超弹性材料的力学特性比金属材料复杂得多,超弹性应力一应变关系通常在拉伸、压缩和剪切变形中明显不同。因此全面描述橡胶变形特性的静态应力一应变试验应包括单轴拉伸、双轴拉伸和平面剪切。某橡胶典型的3种应力一应变曲线,试验数据用来定义材料的模型参数。
      根据锥形簧大变形的实际负荷情况,选择Ogden本构模型能对大应变水平的求解提供最好的近似,同时较高阶的模型可提供更精确的解。Ogden模型具有较广泛的适用性。
      较高阶Ogden模型可提供更精确的解,但是由于误差累计,将其用于有限元计算时会导致收敛困难,因此不建议采用太高阶的模型。本研究用3 ~5阶Ogden模型拟合锥形簧的负荷一位移特性曲线,并与试验结果进行对比,找出最能反应锥形簧特性的模型阶数,用于产品的结构强度分析
      锥形簧的结构和所受负荷都具有轴对称性,因此使用轴对称单元以提高分析效率。橡胶层使用Plane 182单元,钢板层使用Plane 42单元,建立的有限元模型共有1908个单元1675个节点由于橡胶在周边尺寸不变的情况下几乎是不可压缩的,即变形时仅仅是形状改变而体积几乎保持不变,因此锥形簧各橡胶层端部自由表面外形呈双曲线形状。由于锥形簧结构复杂,直接在Ansys软件中建立有限元模型特别复杂,因此在其ICEM CFD专业前处理工具中建立有限元模型。在ICEM CFD中建立的是规整的映射网格,对于具有大变形特性的橡胶材料,该网格能很好地满足分析要求。网格在局部位置进行重划,局部重划不会影响分析质量。
      本研究锥形簧空载时负荷为38 kN,满载时负荷为90 kN,正常工况下的负荷为64 kN,各负荷阶段锥形簧的刚度和挠度有明确的设计要求。根据锥形簧实际工况,对芯轴端部各节点施加垂直负荷,研究Ogden模型参数对锥形簧有限元分析的影响。
根据锥形簧实际工况,采用不同阶数Ogden模型分析其静刚度曲线。从图可以看出,锥形簧负荷小于40 kN时,3阶Ogden模型的分析结果与试验值较吻合,负荷大于60 kN时与试验值相差甚远,因此在分析锥形簧小负荷作用时可选用该模型;负荷为45~70 kN时4阶Ogden模型的分析结果与试验值最相符合;负荷大于70 kN时5阶Ogden模型的分析结果与试验值较吻合,在低负荷作用时与试验值相差较大,因此分析锥形簧超常负荷情况时可以选用该模型。由此可见,在锥形簧的整个负荷范围(38 ~90kN)内,4阶Ogden模型的分析结果与试验值较符合。


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