《层状簧重载下失稳分析和建议》由会员分享，可在线阅读，更多相关《层状簧重载下失稳分析和建议（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、圆柱形橡胶层状簧垂向失稳分析和设计优化陈文海，陈灿辉，莫荣利，王进（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 212007）摘 要：本文分析了圆柱形橡胶层状簧垂向重载下失稳的原因，通过对产品进行试制并结合有限元分析，提出了改进的方法和建议,最后对改进后的产品进行试验，验证了方法的可靠性。关键词：圆柱形橡胶层状簧；失稳；有限元分析Analysis on unstable performance of rubber layer spring under vertical load and Optimal Design Chen Wen-hai, Chen Can-hui, Mo Rong-li,
2、 Wang Jin(Zhuzhou Times New Material technology Co. , Ltd. , Zhuzhou 212007 Hunan, China)Abstract: This essay analyses the reasons of unstable performance of cylindrical rubber layer spring under heavy vertical load. Than propose a improved method by making some trial samples and using ABAQUS to ana
3、lyse. At last the testing results of the improved products approve the methods.Keywords: rubber layer spring; unstable; FEA第 4 页 共 4 页圆柱形橡胶层状簧广泛应用于各机车转向架，起一系、二系的减振作用。随着产品的种类型号不断增多，高度不断增加，层数不断增多，其垂向重载下的失稳是设计时的难点之一，它影响着产品使用安全性和列车的安全运行。本文首先介绍了圆柱形橡胶层状簧的失稳的现象，然后结合有限元分析软件，分析了失稳产生的原因，提出了优化方案，最后用试验验证了设计优化方案
4、，保证了产品在重载下的稳定性。1 层状簧的失稳现象在设计某垂向载荷大，刚度要求小的圆柱形橡胶层状簧时，对产品进行了初步的设计和简易样品的试制。其工作过程只承受垂向载荷，但在试验时发生了失稳现象，如图1。失稳现象外观上表现为层状弹簧中部开始向一侧偏移，不能保持原有的圆柱形态。这种失稳会产生严重的安全隐患。图1 失稳现象2 失稳原因分析2.1 理论分析圆柱形层状弹簧在承受一定的垂向载荷作用下，橡胶首先发生压缩，周向均匀挤压，当压力达到一定程度时，产品突然弯曲，不能够保持其原有的平衡状态就属于失稳。圆柱形层状弹簧失稳一般有图2中的两种方式1。图2 圆柱形层状弹簧的失稳示意图当层状弹簧只承受垂向载荷，
5、限制了两端横向位移时，其失稳形式如图2a，当层状弹簧只限制一端，另一端可横向位移时，其失稳形式如图2b。本文主要是针对前者进行分析和讨论。层状弹簧在突然发生失稳时的载荷称为失稳临界载荷。一般有：P0 其中：E为产品的弹性模量，h为产品橡胶高度R为橡胶截面的外径r为橡胶截面的外径i为产品的截面惯性矩若产品载荷PP0（P0为失稳临界载荷），则产品不发生失稳；反之，产品可能发生失稳。2.2 产品分析结合理论，对产品进行失稳原因分析，初步分析有以下原因：1） 橡胶硬度较低，产品的弹性模量E太小；2） 层数设计、产品高度与内、外径的选择不合理，使产品截面惯性矩太小；3） 橡胶曲面弧度设计不合理，橡胶变形
6、产生横向干扰力；4） 中间隔板硫化过程发生变形，导致在产品垂向加载中，出现了横向的干扰力，增强了产品的失稳趋势。为了验证该分析，对产品模型进行了有限元分析。2.3 有限元分析和验证采用该简易样品的轴对称模型进行精度验证，采用180模型进行失稳模拟。模型结构如下图3所示：图3 简易样品分析模型分析采用ABAQUS 6.7软件进行，模型采用的单元和材料参数见表1和图4。表1 有限元参数选取2部件金属橡胶单元类型CAX4RC3D8RCAX4HC3D8H材料参数弹性模量E=210GPa；=0.3多项式PolynomialN=3图4 橡胶材料的特征拟合曲线取对简易样品进行垂向刚度和挠度性能分析，其结果曲
7、线如图5。可以看出，用的材料模型可以较准确地对产品进行分析3,其结果是可信的，具有指导意义。图5 有限元分析与试验结果对比为了模拟和分析层状簧失稳的现象，建立一个180模型，施加垂向载荷和很小的干扰力后，其分析结果如图6。图6 失稳有限元分析结果对此三维模型分别进行胶料硬度、层数、内外径、以及橡胶圆弧型面的调整。通过输出失稳处隔板的横向偏移变化dx来分析各参数对失稳的影响。结果统计如表2。表2 各因素对性能的影响因素原始参数调整后前后偏移变化dx影响程度干扰力22.53.91硬度55604.12型面圆弧R直面过渡R10圆角过渡2.54外径2652703.23内径180170高度158165注：
8、A. 调整其中一个参数时，其余参数保持和原始模型一致；B. 前后模型偏移变化dx反应了对原模型失稳的矫正程度。 从上表可以看出，干扰力以及橡胶硬度对产品稳定性的影响比型面圆弧要大。在实际产品中，干扰力主要是由于隔板变形和定位偏斜以及橡胶的各向变形不均匀产生的。因此可以通过设计的合理模具和产品结构来改善隔板的变形，提高稳定性。而由于橡胶硬度以及空间尺寸对产品的刚度性能有较大影响，因此在调整时需要综合考虑产品性能的变化。2.4 优化方案的验证结合上文的原因分析，得到如下优化方法：1） 通过有限元分析，选择合适的胶料硬度，既要保证刚度性能的要求，又要保证在垂向重载下不发生失稳；2） 设计合适的橡胶弧
9、面半径，将隔板间的橡胶进行里外双面圆弧过渡设计，增强抗失稳能力和减小刚度；3） 选择合适的隔板厚度和材料，使其得到良好定位和在硫化过程中不出现变形；4） 适当增加外径和调整高度，以满足刚度和稳定性的要求。对产品进行设计更改后，得到图7的设计模型，采用邵氏A 60度的胶料，进行了有限元分析计算，确认方案以后，对产品进行试制和试验，其结果如表3。表3 优化设计的有限元分析和试验结果123kN刚度kN/mm25108kN挠度mm67108kN挠度mm要求值9.510%188分析值9.317.6 7.5 试验值10.117.5 6.5 图7 优化后的设计产品在200kN下不失稳，状态如图8所示。图8
10、产品200kN下状态产品通过了型式试验和客户的认可，表明了这个方案的可行性。3 结论和建议根据上文的分析，为了提高圆柱形橡胶层状弹簧的稳定性，有以下结论：1） 在性能允许的情况下，采用较高的橡胶硬度；2） 需要合适的隔板材料，加强隔板定位，防止隔板硫化变形；3） 选择合理的橡胶内外径和产品高度。在截面积不变的情况下，空心环截面就比实心结构的惯性矩大，稳定性更好，但不能无限制增大外径，防止出现薄壁圆管的结构，反而对稳定性不利；4） 对层状簧进行细节的设计（如橡胶铁件之间进行圆角过渡的设计）可以有提高产品的性能。本文也验证了利用有限元来指导橡胶层状弹簧设计的可行性。参考文献：1 户原春彦 防振橡胶及其应用，牟传文译，1982.2 黄友剑 橡胶计算中本构模型的选择 D, 2006.3 D.J.Chaylton&J.Yang,有限元分析所用橡胶弹性特性的表征方法 摘译，橡胶译丛，1996(3).
