轨道车辆用锥形橡胶弹簧减振器有限元优化设计与疲劳寿命研究.pdf
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1、第 卷 第期湘潭大学学报(自然科学版)V o l N o 年月J o u r n a l o fX i a n g t a nU n i v e r s i t y(N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n)A u g D O I:/j i s s n X 引用格式:赵荣国,徐凌鹏,唐涟怡,等轨道车辆用锥形橡胶弹簧减振器有限元优化设计与疲劳寿命研究J湘潭大学学报(自然科学版),():C i t a t i o n:Z HA OR o n g g u o,XUL i n g p e n g,TAN GL i a n y i,e t a l R e s e
2、a r c ho n f i n i t e e l e m e n t o p t i m i z a t i o nd e s i g na n df a t i g u e l i f e t i m e f o ra t y p eo f c o n i c a l r u b b e r s p r i n gs h o c ka b s o r b e ru s i n g i nt h e r a i l v e h i c l e sJ J o u r n a l o fX i a n g t a nU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i
3、e n c eE d i t i o n),():轨道车辆用锥形橡胶弹簧减振器有限元优化设计与疲劳寿命研究赵荣国,徐凌鹏,唐涟怡,杨小强,姬楠,黄友剑(湘潭大学 工程结构动力学与可靠性分析湖南省普通高等学校重点实验室,湖南 湘潭 ;湘潭大学 机械工程与力学学院,湖南 湘潭 ;湘潭大学 土木工程学院,湖南 湘潭 ;中国中车株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南 株洲 )摘要:为了 提 高轨 道车 辆用 锥 形橡 胶弹 簧减 振 器服 役疲 劳寿 命,该文 基于 等 效撕 裂 能 法,应 用A B AQU S、F E s a f e和I s i g h t软件,对锥形橡胶弹簧减振器进行有限元建模、优
4、化设计和疲劳寿命研究首先应用A B AQU S软件构建锥形橡胶弹簧减振器有限元模型,有限元数值模拟结果表明,原结构的刚度系数和疲劳寿命均不满足结构设计要求其次,采用正交数值试验方法,分析锥形橡胶弹簧减振器几何参数对其疲劳寿命的影响,结果表明第一层橡胶的厚度和长度对结构的疲劳寿命有显著影响,而第四层橡胶的厚度影响最小;以最小应变为优化目标,以正交数值试验确定的几何参数为设计变量,建立二阶响应面模型,并利用多岛遗传算法对刚度约束条件下的锥形橡胶弹簧减振器进行单目标多因素优化设计结果表明优化后的结构刚度系数为 k N/mm,在设计刚度系数范围内,疲劳寿命为 万次,而设计疲劳寿命为 万次,疲劳寿命和刚
5、度均满足设计要求最后,对数值计算结果进行试验验证,结果表明计算疲劳寿命与试验结果吻合良好,模拟的疲劳失效位置与试验结果相符关键词:锥形橡胶弹簧减振器;优化设计;疲劳寿命;刚度;有限元中图分类号:TH ;O 文献标志码:A文章编号:X()R e s e a r c ho nf i n i t ee l e m e n t o p t i m i z a t i o nd e s i g na n df a t i g u e l i f e t i m e f o rat y p eo f c o n i c a l r u b b e r s p r i n gs h o c ka b s o
6、 r b e ru s i n g i nt h e r a i l v e h i c l e sZHA OR o n g g u o,XUL i n g p e n g,T ANGL i a n y i,Y ANGX i a o q i a n g,J IN a n,HU ANGY o u j i a n(K e yL a b o r a t o r yo fD y n a m i c sa n dR e l i a b i l i t yo fE n g i n e e r i n gS t r u c t u r e so fC o l l e g eo fH u n a nP r o
7、 v i n c e,X i a n g t a nU n i v e r s i t y,X i a n g t a n ,C h i n a;S c h o o l o fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n ga n dM e c h a n i c s,X i a n g t a nU n i v e r s i t y,X i a n g t a n ,C h i n a;C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,X i a n g t a nU n i v e r s i t y,X i a
8、 n g t a n ,C h i n a;Z h u z h o uT i m eN e w M a t e r i a lT e c h n o l o g yC o,L t d,C R R C,Z h u z h o u ,C h i n a)收稿日期:基金项目:国家自然科学基金();湖南省高层次人才聚集项目(R S );湖南省研究生科研创新项目(C X )通信作者:赵荣国(),男,湖南隆回人,教授,博士生导师 E m a i l:z h a o r o n g g u o x t u e d u c nA b s t r a c t:T o i m p r o v e t h es e
9、 r v i c e f a t i g u e l i f e t i m e,b a s e do n t h e e q u i v a l e n t t e a r e n e r g ym e t h o d,t h e s t u d yo nf i n i t ee l e m e n tm o d e l i n g,o p t i m i z a t i o nd e s i g na n df a t i g u el i f e t i m ef o rat y p eo fc o n i c a lr u b b e rs p r i n gs h o c ka b
10、s o r b e r f o r r a i l v e h i c l e s i sc a r r i e do u tb yu s i n gt h eA B AQU S,F E s a f ea n dI s i g h t s o f t w a r e F i r s t l y,t h e f i n i t ee l e m e n tm o d e lo fac o n i c a lr u b b e rs p r i n gs h o c ka b s o r b e ri sc o n s t r u c t e db yu s i n gt h eA B AQU S
11、s o f t w a r e T h e f i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s t i f f n e s sc o e f f i c i e n t a n dt h e f a t i g u e l i f e t i m eo f t h eo r i g i n a l s t r u c t u r ed on o t s a t i s f y t h e s t r u c t u r a l d e
12、 s i g nr e q u i r e m e n t s T h e n,t h e i n f l u e n c eo f g e o m e t r i cp a r a m e t e r so f t h e c o n i c a l r u b b e r s p r i n gs h o c ka b s o r b e ro n i t s f a t i g u e l i f e t i m e i sa n a l y z e db yu s i n g t h eo r t h o g o n a ln u m e r i c a l t e s tm e t
13、h o d T h er e s u l t ss h o wt h a t t h et h i c k n e s sa n dl e n g t ho f t h ef i r s tr u b b e r l a y e rh a sa s i g n i f i c a n t l ye f f e c t o n t h e f a t i g u e l i f e t i m eo f t h e c o n i c a l r u b b e r s p r i n gs h o c ka b s o r b e r,w h i l e t h e t h i c k n e
14、 s so f t h e f o u r t hr u b b e r l a y e rh a sa l e a s t e f f e c t o nt h e f a t i g u e l i f e t i m e T a k i n gt h em i n i m u mn o m i n a l s t r a i na sa no p t i m i z a t i o no b j e c t i v ea n dt h eg e o m e t r i cp a r a m e t e r sd e t e r m i n e db yt h eo r t h o g o
15、 n a ln u m e r i c a l t e s t sa st h ed e s i g nv a r i a b l e s,a s e c o n d o r d e r r e s p o n s e s u r f a c em o d e l i sb u i l t,a n d t h eM u l t i I s l a n dG e n e t i cA l g o r i t h mi su t i l i z e dt oc a r r yo u tt h es i n g l eo b j e c t i v em u l t i f a c t o ro p
16、 t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt h ec o n i c a lr u b b e rs p r i n gs h o c ka b s o r b e ru n d e r t h ec o n d i t i o no f s t i f f n e s sc o n s t r a i n t T h er e s u l t ss h o wt h a t t h es t i f f n e s sc o e f f i c i e n to ft h eo p t i m i z e ds t r u c t u r e i s k N/
17、mm,w h i c hf a l l sw i t h i nt h er a n g eo ft h ed e s i g ns t i f f n e s sc o e f f i c i e n t,a n dt h e f a t i g u e l i f e t i m e i s m i l l i o nc y c l e s,w h i l e t h ed e s i g no n e i s m i l l i o nc y c l e s,s ot h e f a t i g u el i f e t i m ea n d t h e s t i f f n e s
18、s a l l a c h i e v e t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t F i n a l l y,t h e t e s t v e r i f i c a t i o n i so p e r a t e d t oc h e c kt h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo f t h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o n T h e t e s t r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h ec
19、 a l c u l a t e df a t i g u el i f e t i m e i sw e l lm a t c hw i t ht h et e s to n e,a n dt h es i m u l a t e df a t i g u ef a i l u r ep o s i t i o na tt h ec o n i c a lr u b b e rs p r i n gs h o c ka b s o r b e r i sc o n s i s t e n tw i t ht h e t e s t K e yw o r d s:c o n i c a l r
20、 u b b e r s p r i n gs h o c ka b s o r b e r;o p t i m i z a t i o nd e s i g n;f a t i g u e l i f e t i m e;s t i f f n e s s;f i n i t e e l e m e n t引言橡胶材料具有许多优良的性能,其中最重要的是其黏超弹性橡胶材料能够承受大应变,在隔振 、降噪 和密封 领域发挥着重要作用一般来说,橡胶材料及其产品在准静态或交变应力/应变环境下使用橡胶产品的疲劳寿命是检验产品质量是否合格的主要指标之一由于橡胶制品的疲劳试验存在试验周期长、试验数量多、试验
21、成本高等不足,因此,在橡胶产品的设计研发阶段,通常采用有限元数值模拟代替传统的疲劳试验来预测橡胶产品的疲劳寿命,从而有效缩短试验时间,降低产品设计成本 G r i f f i t h 提出了裂纹扩展的能量准则,该准则认为材料中存在缺陷分布,且失效起始于最大缺陷的位置处R i v l i n等 使用裂纹扩展的能量准则来分析橡胶的撕裂行为,并提出了撕裂能和应变能释放率的概念根据裂纹扩展的能量准则,L a k e等人 发现裂纹扩展速率仅与该时期的最大应变能释放速率有关,因此橡胶材料的疲劳裂纹扩展速率可以唯一地由应变能释放率确定实际使用环境中的橡胶构件往往需要承受各个方向的载荷,橡胶材料处于复杂的应力
22、状态M a r s等、V e r r o n等 和A u y o b等 对橡胶材料的多轴疲劳进行了大量的实验研究,并提出了各种损伤参数来描述多轴疲劳行为,从而预测橡胶材料在复杂应力状态条件下的疲劳寿命,其中M a r s等提出的撕裂能密度可以用来预测橡胶材料的开裂方向在交变载荷作用下,疲劳成核发生在橡胶材料的应力或应变集中位置或颗粒与基体的界面处,然后疲劳裂纹萌生和扩展 对于无宏观缺陷的橡胶部件,形核寿命和裂纹萌生寿命是控制部件疲劳寿命的主要因素,而对于有宏观裂纹的橡胶部件来说,裂纹扩展寿命几乎等于部第期赵荣国,等轨道车辆用锥形橡胶弹簧减振器有限元优化设计与疲劳寿命研究件的总疲劳寿命在疲劳裂纹
23、扩展过程中,裂纹扩展速率与撕裂能之间满足幂律关系随着撕裂能的增加,裂纹逐渐扩展,当裂纹尺寸达到临界长度时,发生极限破坏撕裂能理论是一种结合断裂力学方法和S N曲线方法的橡胶疲劳分析理论,可用于预测橡胶材料的疲劳寿命和裂纹萌生方向为了提高锥形橡胶弹簧减振器的实际服役疲劳寿命,本文以某型轨道车辆用锥形橡胶弹簧减振器为研究对象,基于等效撕裂能理论构建锥形橡胶弹簧减振器的疲劳寿命预测模型,应用A B AQU S、F E s a f e和I s i g h t有限元软件,对轨道车辆用锥形橡胶弹簧减振器进行有限元建模与优化设计以及疲劳寿命分析,使结构刚度符合设计目标,疲劳寿命满足使用和实际服役要求橡胶材料
24、疲劳寿命模型假设在施加荷载前,橡胶材料中存在初始长度为c的微裂纹随着载荷循环次数的增加,疲劳裂纹逐渐扩展,应变能释放,并产生撕裂能当裂纹扩展达到临界长度cf时,橡胶材料发生疲劳失效裂纹从初始长度c到临界长度cf所经历的循环次数称为橡胶材料的疲劳寿命,其表达式为Nfccf/f(T(c,t)dc,()式中:Nf为疲劳寿命;T(c,t)为撕裂能,是现时裂纹长度c和时间t的函数;f(T(c,t)为裂纹扩展模型的表达式在疲劳裂纹形核阶段,撕裂能可以表示为断裂能的形式,即T Wcc,()式中:T为撕裂能,Wc为断裂能在疲劳裂纹扩展阶段,橡胶的裂纹扩展速率受等效撕裂能控制因此,用等效撕裂能代替P a r i
25、 s公式中的应力强度因子范围,可得裂纹扩展速率方程等效撕裂能表达式为 Te qTm a xF(R)F()TcF()F(R)F(),()F(R)FeFe x pRFRFRFR,()式中:Te q、Tm a x和Tc分别为等效、最大和临界撕裂能;F为应力比R的函数;Fe x p、F、F、F和F分别为材料参数当应力比R时,疲劳载荷属于脉冲加载模式,在这种情况下,函数F的值计算为F()F,而在R的情况下,疲劳载荷为拉拉疲劳加载模式为了计算等效撕裂能,需要将橡胶材料的疲劳参数输入有限元软件的材料参数表在本研究中,通过橡胶材料的疲劳试验获取疲劳参数,橡胶材料的疲劳参数如表所示表计算橡胶等效撕裂能的疲劳参数
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