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據做為分析輸入，對高速重載機車車輛用橡膠定位器產品進行有限元分析。并研究產品的隔板傾角的變化及橡膠層數對三向剛度性能的影響。關鍵詞：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品的應用愈來愈多。對橡膠產品的要求也愈來愈高。通過傳統(tǒng)的實驗的方法來調節(jié)橡膠產品的各項性能，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。隨著力學領域中有限元技術的不斷成熟，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，能夠進行結構分析、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品的分析計算的研究，并將分析計算與實際生產緊密的聯(lián)系在一起。在實際應用中發(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構。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)新產品開發(fā)出來后的剛度試驗結果為： 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，因此要對結構進行調整以使產品的剛度比滿足要求。因為結構的三向剛度存在關聯(lián)性，通過傳統(tǒng)的試制加實驗的方法來調節(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節(jié)本產品三向剛度配比關系。首先對修改前的結構進行分析，并將分析結果與實驗結

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品的剛度結果，結構中對剛度影響可以忽略的部位做了一些相應的簡化處理，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 輸入材料常數輸入的材料常數的準確與否是左右分析結果的關鍵之一。對于橡膠產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。橡膠的力學性能對溫度、環(huán)境、應變歷史、加載速率和應變率的影響相當敏感，生產工藝和添加劑(如添加炭黑的多少和種類)對橡膠的力學性能也有重要影響。天然橡膠材料因產品的

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力應變關系，而用應變勢能(U)來表達應力應變關系。應變勢能表達式如下： 式中：U應變勢能Jel彈性體積比i1、i2應變不變量Di定義材料的壓縮性CijRinvlin系數我們利用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點Solid45號實體單元來模擬，橡膠部分用三維八結點Hyper58號超彈性單元來模擬。考慮到橡膠為超彈性材料，結構劃分單元數較多，共劃分30893個單元。根據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，得出結果。結果分析計算所得的三向剛度結果如下表所示： 由計算結果與實驗結果的對比可知最大偏差為9.3%，這說明有限元分析結果是可信的。因此我們利用ANSYS軟件進行結構的剛度配比調整。根據我們有限元分析及產品開發(fā)經驗，各種不同調整方法對產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的顯示的結果可知，隨著橡膠層的傾斜角度的不

7、斷增加，產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增加。不同開孔層數對三向剛度的影響如圖4所示：圖4 由圖4的顯示的結果可知，隨著橡膠槽孔層數的增加，產品的三向剛度的值均單調遞減。而且，隨著槽孔的層數的增加產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的顯示的結果可知，隨著膠料硬度的增加，產品的三向剛度的值均單調遞增。而且，隨著橡膠的硬度的增加產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。不同的橡膠層數對三向剛度的影響如圖6所示：圖6 由圖6的顯示的結果可知，隨著橡膠層數的增加，產品的三向剛度的值均單調遞增。而且，隨著橡膠的層數的增加產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。根據以上經驗，我們充分利用ANSYS軟件的計算分析功能,經過反復多次的調整，才得出一個比較滿意的結果。調整后產品的三向剛度計算結果如下表所示。 此時產品三向剛度比為：垂向：縱向：橫向=1：13.4：8.6調整結構后產品基本可以滿足三向剛度比的要求。產品橡膠部分的等效應力云圖如下圖7，圖8所示：圖7縱向加載橡膠部分應力云圖 圖8橫向加載橡膠部分應力云圖 結論在調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整產品結構參數。而且，經過實驗驗證，計算結果與實驗結果也吻合的很好。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，科學出版社，1980年。4、美國ANSYS公司，ANS