气动钉枪橡胶缓冲垫的动力学仿真分析

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1、2013年3月机械设计与制造工程Mar．2Ol3第42卷第3期MachineDesignandManufacturingEngineeringVo1．42No．3DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2013．03．0O4气动钉枪橡胶缓冲垫的动力学仿真分析陈中哲，章巧芳，彭伟(特种装备制造与先进加工技术教育音浙江省重点实验室(浙江工业大学)，浙江杭州310014)摘要：为得到气动钉枪橡胶缓冲垫的动态应力等响应，以气动钉枪实测的压力作为边界条件，利用非线性动力学分析软件LS—DYNA对橡胶缓冲垫承受枪针

2、组件冲击的动态过程进行了数值模拟研究。仿真结果得到的最大应力出现部位与缓冲垫实际破坏位置有较好的一致性。还进行了高速摄像实验，实验结果与仿真结果的对比验证了仿真的可靠性。关键词：气动钉枪；橡胶缓冲垫；动力仿真；高速摄像中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：2095—509XI2013)03—0018—04气动钉枪作为一种典型的手持式气动工具，已被广泛应用于建筑装潢、制造包装等行业。工作过上铝盖程中枪体底部的橡胶缓冲垫承受枪针组件的冲击，弹簧起缓冲的作用。由于承受连续的冲击载荷，使橡胶；衡阀缓冲垫成为气动钉枪的易损零

3、件。目前，国内钉枪企业所用的橡胶缓冲垫寿命较短，因而直接影响了活塞手柄气动钉枪整枪的寿命。本文采用动力学数值模拟方法，利用LS—DYNA气缸软件，对气动钉枪橡胶缓冲垫承受活塞冲击的动态枪针过程进行了研究，为后续的结构改进和提高缓冲垫缓冲寿命提供理论指导。枪嘴图1气动钉枪结构示意图1气动钉枪的冲击系统气动钉枪是一种以高压气体为动力源的气动冲垫的受冲击特性进行分析，同时缓冲垫位于枪体工具，其结构如图1所示。活塞和枪针通过螺纹配内部，用实验的方法对其进行分析较为困难。因此合构成枪针组件。当扣动扳机时，高压气体快速进采用动态非线

4、性有限元软件LS—DYNA对其进行入活塞上端气缸，将压力作用在活塞上表面，此时数值模拟分析。活塞下端流场气体压力与大气相同。由于活塞上端的作用力P。大于下端作用力P：，在二者的压力2模型的建立与网格划分差的驱动下枪针组件高速运动⋯。随着活塞的下橡胶缓冲垫与其他零件的装配关系如下：缓冲移，气缸下部流场空间减小，气体压力增大。当活垫底部紧贴在枪嘴上表面，顶部在工作状态下承受塞到达下端时，缓冲垫对其起到缓冲作用。在活塞来自枪针组件的冲击力，侧面与气缸接触。由于缓的作用力下，缓冲垫被压缩产生径向变形，而缓冲冲垫在工作过程中只与枪

5、嘴、枪针组件及气缸有直垫的径向变形将受到气缸的约束作用。接关系，因此分析中只建立这些零件的装配体，然在活塞撞击缓冲垫的过程中，涉及到活塞对缓后对该装配体进行分析，并在不影响计算结果的条冲垫的动态冲击、橡胶材料的非线性、各零件之间件下，对枪嘴、枪针组件和气缸中不与缓冲垫接触的接触非线性等问题，很难用解析的方法对橡胶缓的部分做几何简化处理，同时在三维造型软件收稿日期：2012-08—29作者简介：陈中哲(1988一)，男，浙江金华人，浙江工业大学硕士研究生，主要研究方向为有限元仿真。·18·2013年第3期陈中哲，等：气动钉

6、枪橡胶缓冲垫的动力学仿真分析Pro／E中建立几何模型。将建立好的几何模型导人软件Hypermesh中进行网格划分，划分好的六面体网格模型如图2所示。Strain图3压缩应力一应变曲线图2仿真分析网格模型3材料模型橡胶材料属高分子聚合物材料，是一种各向同性的体积近似不可压缩材料。研究表明，橡胶材料Time／ms图4应力松弛曲线的力学行为主要表现为准静态超弹性(非线性弹性)与动态粘弹特性(应变率相关性)J。描述超4边界条件弹性材料特性的理论之一是基于应变能密度函数气动钉枪工作时，实际的工况为活塞在上下端的大弹性变形本构理论，

7、目前得到广泛承认并在工气体压力差的作用下撞击缓冲垫，因此如果要模拟程中大量应用的主要是广义Mooney—Rivlin应变实际的工况，需知在整个撞击过程中活塞上下端气能密度函数_3J。橡胶不仅具有高弹特性，而且其体压力随时间变化的曲线。通过在枪体上进行相力学行为是与应变率相关的，即具有粘弹性u4J。应的位置开孔，并安装PCB动态压力传感器。通YangLM和Shim等对高应变率下橡胶的本构过实验测得活塞上端气体压力随时间变化的曲线响应进行了理论和实验研究。由于活塞撞击缓冲如图5所示，活塞下端气体压力随时间变化的曲线垫的载荷为

8、冲击载荷，需考虑应变率的影响。综合如图6所示。将实测压力曲线作为边界条件施加考虑求解需要和实验条件，最终选取考虑简单应变于活塞的有限元模型。由于枪嘴和气缸相对于活率效应的橡胶粘超弹性材料模型来模拟橡胶材料，塞静止，故将枪嘴和气缸作为固定边界条件处理。即LS—DYNA中的77号材料模型MAT—HY—缓冲垫工作状态下与气