轴箱橡胶节点抗疲劳机理的数值模拟分析

论文摘要

减振橡胶元件因其减振效果显著等优点,被广泛用于飞机、车辆、舰船以及机械设备等领域,但往往因其疲劳破坏而过早地失效,并因其疲劳失效而进一步引发其它关键部件的疲劳破坏。已有研究表明,由于橡胶特殊的材料非线性和几何非线性等特点,传统的有限元结构强度分析方法已经不能有效地预测减振橡胶元件的疲劳寿命,又由于国外技术的保密,我国在这方面的工作还处于起步阶段,故对于车辆等重要装备的减振橡胶元件还需要高价进口。因此,对于减震橡胶元件疲劳寿命的影响机理研究亟待开展。橡胶疲劳失效的影响因素包括很多,如应力、应变、应变能密度、蠕变、频率、振幅及温升等,但本文仅考虑应力场、应变场、应变能密度场、蠕变及温升。本文对某车型的两种橡胶节点进行数值模拟分析,结合试验结果研究确定减震橡胶元件疲劳失效的主要影响因素。本文主要包括以下四个方面内容：（1）基于超弹性模型的橡胶衬套,分析了轴箱橡胶节点的应力场、应变场及应变能密度场,以及这些影响因素与疲劳裂纹产生部位的关系。（2）提出已有粘-超弹性修正公式的松弛模量,将其推导为与ANSYS软件中松弛模量表达式一致的Prony级数,通过对粘-超弹性模型的参数修正及数值模拟验证,从而确定了适合本文研究对象的粘-超弹性模型参数。这为后期建立粘-超弹性模型,分析疲劳失效的主要影响因素奠定基础。（3）基于静态粘-超弹性模型的橡胶衬套,分析了轴箱橡胶节点的蠕变与橡胶衬套表面疲劳裂纹产生部位的关系,以及蠕变与外刚套被芯轴磨损处的关系。（4）在热分析中,分析了温升与芯盘处熔胶及橡胶衬套裂纹产生部位的关系；基于动态粘-超弹性模型,计算出橡胶衬套不同位置的滞后系数,间接地分析了内耗与橡胶衬套熔胶及疲劳裂纹产生部位的关系。结果表明：应力集中对疲劳裂纹的产生部位已经不敏感,而疲劳裂纹的产生部位与应变集中位置更一致；蠕变与疲劳裂纹的产生部位及外刚套磨损处一致；温升较高处与芯盘熔胶及橡胶衬套表面裂纹产生的部位一致。这对减震橡胶元件工程设计和疲劳强度设计理论的研究都将具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 橡胶元件疲劳破坏机理
• 1.2.2 橡胶元件疲劳寿命影响因素
• 1.3 课题的来源及研究内容
• 1.3.1 课题的来源
• 1.3.2 本文研究内容
• 1.3.3 本文创新点
• 本章小结
• 第二章 橡胶材料的本构模型
• 2.1 基本理论
• 2.2 超弹性本构模型
• 2.2.1 统计热力学法
• 2.2.2 连续介质力学法
• 2.3 粘-超弹性本构模型
• 2.3.1 Maxwell模型
• 2.3.2 Kelvin模型
• 2.3.3 Burgers模型
• 2.4 ANSYS软件对粘弹性的表述
• 本章小结
• 第三章 橡胶节点的超弹性模型分析
• 3.1 橡胶节点介绍
• 3.1.1 橡胶节点的作用位置
• 3.1.2 橡胶节点的结构与特点
• 3.2 超弹性几何模型的建立
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 材料参数的确定
• 3.3 超弹性有限元模型的建立
• 3.3.1 单元设置
• 3.3.2 网格划分
• 3.3.3 边界条件
• 3.3.4 工况分类
• 3.4 计算结果及影响因素分析
• 3.4.1 工况一计算结果及分析
• 3.4.2 工况二计算结果及分析
• 3.4.3 工况三计算结果及分析
• 3.4.4 工况四计算结果及分析
• 本章小结
• 第四章 橡胶节点的粘-弹性模型分析
• 4.1 聚合物的粘弹性
• 4.2 粘-超弹性模型的建立
• 4.2.1 改进方程及提出松弛模量
• 4.2.2 将松弛模量推导为Prony级数
• 4.3 静态粘-超弹性分析
• 4.3.1 参数验证及修正
• 4.3.2 静态粘-超弹性分析
• 4.4 动态粘-超弹性分析
• 4.4.1 单位转换
• 4.4.2 滞后系数计算
• 4.4.3 动态粘-超弹性分析
• 本章小结
• 第五章 橡胶节点的热分析
• 5.1 涉及软件的功能简述
• 5.1.1 ANSYS软件热力学分析
• 5.1.2 ANSYS软件重启动求解
• 5.1.3 MATLAB样条与积分
• 5.2 热分析有限元模型的前处理
• 5.2.1 生热量计算
• 5.2.2 边界条件
• 5.3 计算结果及分析
• 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢