某重型卡车叠层橡胶弹簧有限元分析及稳健设计

论文摘要

随着我国重型卡车工业的飞速发展,作为影响重型卡车安全性、舒适性和使用寿命的卡车悬架系统的重要性得到日益的凸显。为了获得良好的隔振减振效果,新型的悬架系统不断开发和应用到重型卡车上,其中橡胶悬架由于其具有自重轻、免维护、性能优越等一系列特点而受到越来越多的关注。生产厂家需要根据用户的需求不断改进设计橡胶悬架中的关键元件橡胶弹簧,而目前传统的橡胶弹簧的设计方法难以满足快速变化的市场需求。虚拟样机技术尽管为橡胶弹簧的设计提供了一种有效的解决途径。但是,基于有限元分析技术的橡胶弹簧设计过程中仍然存在着橡胶材料本构模型的快速建立、不同橡胶材料本构模型的比较分析、橡胶本构模型材料参数的精确确定以及如何将稳健性设计方法应用于橡胶弹簧的设计过程中等诸多难题。本文首先详细叙述了在汽车橡胶元件有限元分析中应用广泛的橡胶线弹性本构模型和几种橡胶超弹性体本构模型,在此基础上介绍了传统试验方法确定橡胶材料本构模型中材料参数的求解过程,并重点研究了基于橡胶硬度确定线弹性本构模型和Mooney-Rivlin本构模型中材料参数的快速计算方法。基于有限元分析软件ANSYS,针对隔震橡胶块变形过程进行仿真模拟,分别建立了线弹性本构有限元模型和Mooney-Rivlin本构有限元模型,采用基于橡胶硬度确定橡胶材料本构参数的快速计算方法来获得材料参数,获得了两种常用的本构模型对隔震橡胶块变形特性的模拟精度,并与已有的试验数据进行对比,从而确定了Mooney-Rivlin模型在对橡胶元件的有限元模拟过程中具有更高的精度。通过建立叠层橡胶弹簧的有限元模型,对橡胶材料Mooney-Rivlin本构模型的材料参数进行了进一步研究,获得了一系列不同C0 1 /C1 0比值下的叠层橡胶弹簧垂向静刚度有限元仿真曲线,通过与试验曲线进行对比和误差分析,确定了最为吻合试验曲线的橡胶材料参数,从而建立了较为精确的叠层橡胶弹簧的有限元模型。对叠层橡胶弹簧的结构设计参数:橡胶材料层数N、倾角α以及橡胶材料直径D的进行了灵敏性分析,在此基础上确定了稳健性设计的控制因子与控制水平。针对目标设计曲线,将稳健性设计方法应用于叠层橡胶弹簧垂向静刚度曲线的优化设计过程中,最终确定了与目标设计曲线最为吻合的设计方案。本文对叠层橡胶弹簧进行了精确的建模、有限元分析和稳健性设计,可以应用于橡胶元件的建模和改进设计中去;同时,整个分析过程能够克服试验条件不足的缺陷,具有较强的可操作性,因而在橡胶元件的工程设计中具有一定的应用价值,为橡胶元件的研究和设计,提供了值得借鉴的研究方法和途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.1.1 橡胶材料的基本特性
• 1.1.2 重型卡车橡胶悬架
• 1.1.3 悬架橡胶减振器研究现状
• 1.2 本文研究的主要内容
• 第2章 橡胶材料的本构研究
• 2.1 橡胶材料线弹性本构理论
• 2.2 橡胶材料的超弹性本构理论模型
• 2.2.1 橡胶材料的统计热力学理论
• 2.2.2 橡胶材料的唯象理论
• 2.3 橡胶材料参数研究
• 2.4 由橡胶硬度确定常用橡胶本构模型材料参数的快捷方法
• 2.4.1 由橡胶硬度确定线弹性本构模型材料参数的方法
• 2.4.2 由橡胶硬度确定Mooney-Rivlin本构模型材料参数的方法
• 2.5 本章小结
• 第3章 两种常用本构模型的有限元分析
• 3.1 模型的简化
• 3.2 依据橡胶硬度确定本构模型材料参数
• 3.3 单元的选择和网格的划分
• 3.4 接触问题的处理
• 3.5 施加约束和载荷
• 3.6 有限元分析计算与结果分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 叠层橡胶弹簧的试验研究和有限元分析
• 4.1 叠层橡胶弹簧垂向静刚度试验研究
• 4.2 叠层橡胶弹簧的Mooney-Rivlin本构模型材料参数研究
• 4.2.1 建立叠层橡胶弹簧有限元模型
• 4.2.2 材料参数的取值
• 4.2.3 材料参数的确定
• 4.3 叠层橡胶弹簧纵向静刚度有限元研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 叠层橡胶弹簧结构参数稳健性设计
• 5.1 稳健性设计方法及其研究现状
• 5.2 叠层橡胶弹簧设计参数灵敏性分析
• 5.2.1 叠层橡胶弹簧刚度对橡胶材料层数灵敏性分析
• 5.2.2 叠层橡胶弹簧刚度对倾角灵敏性分析
• 5.2.3 叠层橡胶弹簧刚度对橡胶层直径灵敏性分析
• 5.3 叠层橡胶弹簧稳健性设计
• 5.3.1 试验设计
• 5.3.2 试验结果及分析
• 5.4 本章小结
• 结论与展望
• 1.本文工作总结
• 2.展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文