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1、环式叠层型橡胶弹簧稳定性及优化设计技术研究.第卷增刊铁道机车车辆.年月文章编号:???环式叠层型橡胶弹簧稳定性及优化设计技术研究荣继刚,黄友剑,周炜中国南国集团株洲时代新材科技股份有限公司,湖南株洲摘要对叠层橡胶弹簧在垂向载荷下的稳定性进行了分析,针对叠层橡胶弹簧的结构特点,在建立参数化有限元模型的基础上,通过叠层橡胶弹簧的结构和性能参数对失稳状态下横向偏移量的灵敏度分析,确定了敏感设计变量。以横向偏移量最小为优化目标,实现了叠层橡胶弹簧垂向稳定性的优化设计。关键词层状橡胶弹簧;稳定性;参数化有限元;失稳临界载荷;优
2、化设计文献标志码::./.....中图分类号:..产品的使用和车辆的行车安全带来严重的不利影响。橡胶弹簧具有结构简单、隔振性能良好、承载能力因此,需要对环状叠层簧产品的结构和性能参数进行优强且疲劳寿命长等优点,因此在现代机车车辆上得到广化设计,以提高产品的垂向抗失稳能力。泛应用。为了满足垂向大变形需求,某型橡胶弹簧设计本文对橡胶堆类产品的垂向稳定性进行了分析,并成环状叠层橡胶弹簧结构,以下简称环状叠层簧如图采用试验和有限元相结合方法,对其进行了参数化有限所示,属于垂向承载变形的橡胶堆类产品。在开发元分析。通过环状叠层
3、簧结构和性能参数对其失稳状研制过程中进行垂向极限承载试验时发现,当垂向载荷态下的横向偏移量的灵敏度分析,掌握了其结构和性能增加至左右时,产品出现垂向载荷突然减少,而参数变化对横向偏移量的影响规律,确定了最敏感的设垂向位移持续增加的失稳现象如图所示。计变量。以横向偏移量最小为优化目标,实现了环状叠疆裎※:蓐层簧结构和性能参数的优化设计。:袋疆滏鑫醴橡胶堆垂向稳定性分析豫拖繇盛【≮蟊【鼢.理论分析站础龆嗡对于采用多层橡胶和多层钢板交互叠置经高温高站戮搀蕊.渊麟滋压硫化方法粘结在一起的橡胶堆类产品,在垂向载荷氍骊删作用下,
4、其横向剪切刚度的,的经验公式为比:『燃燃心』、?.“。一一一/?/一印式中图环状叠层簧结构示意图口一?惦蕊¨’卢一订可孺匹丽《由式可知,当口趋近与‘时,橡胶堆的水平刚蒸?叵度,趋近于,这表明橡胶堆失去了横向承载能力,即悯进入了垂向失稳临界状态。将一带人式,即可求出橡胶弹簧的垂向临界失稳载荷为:垂向他移一学/,鲁?忑一?五图环状叠层簧垂向刚度特性曲线式中为橡胶的弹性模量;为橡胶的剪切模量;为横截面面积受压面积;为垂向载荷作用下橡胶层这种垂向失稳将会导致环状叠层簧逐渐丧失垂向高度;为横截面的惯性矩;足”为剪切形状系数,圆
5、截面承载能力,而且这种失稳往往是突然发生的,显然会对荣继刚一男,湖南株洲人,高级工程师收稿日期:万方数据第卷铁道机车车辆??中国铁道学会牵引动力委员会年动力学及强度学组学术年会论文集取.;走为弯曲形状系数。对于一般橡胶堆其有效弯曲刚度较大,即是》‖,因此式可简化化为:?,,.广凡。,由式可知,垂向临界载荷与橡胶堆产品的结构尺寸和橡胶材料特性相关。因此除了提高橡胶材料的抗失稳特性外,通过优化结构尺寸能够有效提高其垂向临界载荷。.产品验证图环状叠层簧参数化有限元模型本文所探讨的环状叠层簧属压缩型橡胶弹簧。在一定的垂向载
6、荷作用下,环状叠层簧首先产生压缩变为了模拟环状叠层簧在试验过程中出现的垂向失形,周向均匀挤压,当垂向载荷增加到一定程度时,由于稳状态,在分析模型上施加了一定的垂向载荷以及一个其内部的橡胶和钢板难以达到完全平行,环状叠层簧不较小的横向干扰力,一般取垂向载荷的%左右,并再保持其原有的平衡状态,产生突然弯曲变形现象,如用横向偏移量的大小表征产品的垂向失稳程度。图图所示,其横向偏移量为.。这种变形状态就为环状叠层簧垂向失稳的有限元分析结果,其横向偏移是环状叠层簧垂向失稳的一种表现形式,横向偏移量的量为.,从图中可以看出,利用
7、有限元方法预测大小可以用来表征产品的失稳程度。出的橡胶弹簧失稳变形状态与试验结果非常接近,说明所建立的参数化有限元模型和载荷条件的设置是正确的,能够用来预测并实现环状叠层簧垂向稳定性的优化设计、;穗嚣,?■∞口冀“。。■:涩¨;鬟图环状叠层簧垂向失稳试验结果根据产品结构特点,由式可知胶料硬度的选取、产品结构尺寸的设计以及在垂向压缩过程产生的横向图环状叠层簧垂向失稳有限元分析结果干扰力是影响环状叠层簧垂向稳定性的主要因素。为环状叠层簧参数的灵敏度分析了保证产品的使用和车辆行驶安全,在满足垂向刚度的定义环状叠层橡胶弹簧参
8、数灵敏度为在垂向载荷要求下,需要对元件的结构和性能参数进行优化设计,作用下的横向偏移量对结构和性能参数的变化率。为以确保环状叠层簧具有良好的垂向抗失稳性能。完整保证有限元优化的效率,本文只对图所示环状叠层簧的优化过程包括参数化建模、灵敏度分析以及优化求解等部分。的高度、外径,、内径。和自由型面圆弧,.这个参数化有限元模型与试验验证结构参数以及横
