机车车辆中常用橡胶件的有限元分析

论文摘要

为消除摩擦,改善减振及降噪效果,现代机车车辆上大量使用各种橡胶弹性元件,用以牵引、驱动、连接、支撑之用。随着中国轨道交通的大幅度提速,以及乘客对舒适性要求的逐步提高,橡胶件在机车车辆上的应用越来越广泛。与金属元件相比,橡胶弹性元件在满足机车车辆动力学性能方面,有着非常显著的特点和不可替代的优势,具体表现在:非线性刚度特性,具有多向刚度特性和阻尼特性等。但是,由于橡胶材料的双重非线性和体积不可压缩性,使得橡胶材料力学问题的理论计算十分困难,随着计算机的迅速发展和有限单元法计算技术的发展,使得数值计算方法解决橡胶材料的力学问题变得可能。在橡胶制品的设计过程中,应用有限元仿真技术进行静、动态性能的预测分析和设计改进,进而实现橡胶制品的优化设计,可以有效提高橡胶件的设计质量,缩短产品开发周期,降低试制和实验的消耗。本文在总结前人的橡胶制品有限元分析的基础上,应用有限元仿真技术对机车车辆中常用的橡胶件进行有限元分析。本文的主要研究内容大致可以归为以下几个方面:1.通过阅读大量文献资料,详细描述了橡胶材料的力学特性,材料本构模型的分类方法;总结了橡胶弹性元件在机车车辆上的重要作用;分析了有限元法在橡胶产品中的应用;概括了机车车辆上常用的橡胶弹性元件。2.论述了非线性橡胶材料的混合有限单元法,以及ABAQUS软件的非线性有限元法,详细比较了ABAQUS软件Standard和Explicit两个求解器。橡胶的静态有限元分析,可以采用Standard求解器,但是橡胶的动态有限元分析以及复杂的接触分析,则采用Explicit求解器。3.以橡胶过盈配合作为计算模型,分析了材料可压缩性定义对橡胶有限元分析结果的影响。论述了橡胶有限元分析单元的选择,以及网格划分对计算结果的影响。4.对广泛使用的橡胶本构模型Mooney-Rivlin模型,本文在工程实际应用范围内,结合与常规值比较的方法,给出一种其材料系数的估算方法,即C01/C10=0.25。并分析了材料系数比值对橡胶衬套轴向刚度的影响,计算结果表明轴向刚度对C01/C10并不敏感,对(C01+C10)表现敏感。5.本文对机车车辆中常用的橡胶关节进行有限元分析。为满足不同的功能要求,机车车辆上采用的橡胶关节类型众多,本文分析了整体式和分瓣式两种类型的橡胶关节。对于整体式橡胶关节,分析了芯轴形状和预压缩量对其刚度性能的影响;对于分瓣式橡胶关节,本文计算了六连杆橡胶关节,计算结果符合转向架设计要求的径向刚度值。6.对轴箱定位器进行静、动态有限元分析。分析定位器结构参数对其刚度性能的影响,确定符合一定三向刚度比值的等高定位器结构;并得到定位器等应力的优化结构。同时,对等高结构定位器进行模态分析,得到其前四阶固有频率。并论述了橡胶内部阻尼对轴箱定位器减振性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 橡胶的基本力学特性及本构模型
• 1.1.2 橡胶弹性元件在机车车辆中的重要作用
• 1.1.3 有限元法在橡胶产品中的应用
• 1.2 机车车辆中常用的橡胶弹性元件
• 1.3 论文的内容及意义
• 1.3.1 本文的主要内容
• 1.3.2 本文的意义
• 第2章 非线性橡胶材料的有限单元法
• 2.1 引言
• 2.2 非线性橡胶材料的有限单元法
• 2.2.1 非线性应变分析
• 2.2.2 应力分析
• 2.2.3 势能驻值原理
• 2.2.4 有限元表达式
• 2.3 ABAQUS软件的非线性有限元法
• 2.3.1 ABAQUS非线性结构有限元法的基本原理
• 2.3.2 ABAQUS动力学有限元分析方法
• 2.4 小结
• 第3章 橡胶单元选择及可压缩性定义
• 3.1 前言
• 3.2 单元类型的选择
• 3.3 可压缩性定义
• 3.3.1 初始体积模量对橡胶过盈配合的影响
• 3.3.2 泊松比对橡胶过盈配合的影响
• 3.4 小结
• 第4章 橡胶Mooney-Rivlin材料系数的确定
• 4.1 引言
• 4.2 橡胶Mooney-Rivlin模型材料系数的估算
• 2/C₁比值的推导过程'>4.2.1 材料系数C₂/C₁比值的推导过程
• 4.2.2 橡胶衬套刚度的常规值计算
• 4.2.3 橡胶衬套的有限元计算结果
• 4.2.4 小结
• 2/C₁比值对橡胶轴向刚度性能影响分析'>4.3 C₂/C₁比值对橡胶轴向刚度性能影响分析
• 2/C₁取值范围的确定'>4.3.1 C₂/C₁取值范围的确定
• 4.3.2 有限元分析结果
• 4.3.3 小结
• 第5章 橡胶弹性关节的有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 整体式橡胶关节的有限元分析
• 5.2.1 芯轴结构形状对橡胶关节刚度性能的影响
• 5.2.2 预压缩量对橡胶关节刚度性能的影响
• 5.3 分瓣式橡胶关节的有限元分析
• 5.3.1 最大压缩量的确定
• 5.3.2 径向刚度的有限元分析
• 5.4 小结
• 第6章 锥形轴箱定位器的有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 轴箱定位器静态刚度性能有限元分析
• 6.3 轴箱定位器结构优化
• 6.3.1 满足已知刚度比值定位器的结构参数
• 6.3.2 定位器结构优化
• 6.4 轴箱定位器减振性能分析
• 6.4.1 橡胶减振器的刚度特性和减振机理
• 6.4.2 橡胶定位器的频率有限元分析
• 6.4.3 橡胶定位器阻尼因子对减振性能的影响
• 6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读硕士学位期间的主要研究成果