弹性车轮非线性有限元分析及疲劳强度校核_黄彪戚援杜利清

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1、计算机应用轨道交通装备与技术第2期2014年3月文章编号:2095－5251(2014)02－0044－03弹性车轮非线性有限元分析及疲劳强度校核黄彪戚援杜利清(常州南车铁马科技实业有限公司江苏常州213125)摘要:采用ABAQUS软件建立橡胶的mooney－rivlin本构模型以及整个弹性车轮的有限元模型，对弹性车轮在运营过程各工况下的应力情况和疲劳强度进行分析、校核，结果表明，各部件在运营组合工况下危险界面点均落在Goodman曲线内，且裕量充足，这种采用块状橡胶结构的弹性车轮结构设计合理，满足轻轨车辆的使用要求。关键词:弹性车轮;非线性有限元;疲劳强度;橡胶

2、+中图分类号:U260．331．1文献标识码:B随着城市建设步伐的加快，城市轨道交通得到了迅猛发展，然而轨道交通中的轮轨噪声对城市环境产生了很大的影响。弹性车轮通过在金属件中间镶嵌橡胶阻尼件，使金属脱离直接接触，可以有效减轻车辆振动，降低车辆运行时的噪声。早期研发的弹性车轮基于安全考虑采用双圈橡胶结构来获得较大的轴向刚度，但车辆在通过弯道时降噪效果并不明显。目前国外较先进的弹性车轮采用的是多块橡胶形成的单圈设计，此种结构拥有较小轴向刚度，可以显著提高车辆通过弯道时的降噪效果。图1弹性车轮结构分解图车轮是轨道交通车辆的关键零部件，在各种复程材料，具有复杂的力学特性(大

3、变形、不可压、动杂运营工况下，车轮受到疲劳载荷作用而导致材料态刚度阻尼、大应力幅值软化Mullin效应等)。出现疲劳损伤和破坏，需要对车轮进行疲劳强度校［1］Mooney－Ｒivlin模型、neo－hookean模型、yeoh模型核，以保证车辆的安全行驶。是较为常用的唯象本构模型。唯象本构模型采用多1弹性车轮结构项式形式描述应变能密度函数，如式(1)所示［2］:xij图1所示为常州南车铁马科技实业有限公司最W(I1，I2，I3)=ΣCi，j，k(I1－3)+(I1－3)i，j，k=0新研发的采用块状橡胶的弹性车轮结构分解图，其k+(I1－3)(1)主要部件包括轮箍、

4、轮心、压环、橡胶块以及紧固连式中，Ci，j，k为Ｒivlin系数，I1，I2，I3分别为第1、接件。组装时将轮心固定，通过组装压力设备对压第2、第3Green应变不变量，表达式如下:环施加压力，从而使橡胶块发生挤压变形，并带动轮I=tr(B)=λ2+λ2+λ2;1123箍向下运动，直至压环上表面与轮箍上表面平齐，最122222222I1=(tr(B)－tr(B))=λ1λ2+λ1λ3+λ2λ3;后用紧固连接件进行连接。2222I1=det(B)=λ1+λ2λ3。2橡胶材料本构模型式中，λ1、λ2、λ3分别为3个主伸长率。对于不碳黑填充硫化橡胶是广泛应用的减振、隔振工

5、可压缩、碳黑填充天然橡胶材料，I2、I3关联性较小，(1)式可改写为:收稿日期:2013－04－1823作者简介:黄彪(1984－)，男，硕士研究生学历，工程师，从事制动盘W(I1)=C10(I1－3)+C20(I1－3)+C30(I1－3)技术工作。(2)44黄彪戚援杜利清弹性车轮非线性有限元分析及疲劳强度校核轨道交通装备与技术第2期2014年3月C30系数主要控制高应变率条件下的材料响应，准静态分析采用的Mooney－Ｒivlin本构模型忽略该参数的影响，上式改写为:2W(I1)=C10(I1－3)+C20(I1－3)(3)3弹性车轮有限元模型3．1有限元模型首

6、先通过三维造型软件Pro/E进行建模，依据经验对螺栓孔及工艺圆孔进行简化，得到实体模型。采用通用的X－T格式导入ABAQUS软件中。图2所示为通过ABAQUS软件建立的有限元分析模型，图3弹性车轮结构图由于橡胶块分布以及加载位置不具有对称性，为了装过程;工况2～5为车辆运营工况，载荷值定义如真实反映弹性车轮整体的应力情况，选取整个弹性表1所示，载荷作用位置如图4所示，约束施加在轮车轮作为分析对象。轮心、轮箍和压环采用八节点心孔内侧面。线性六面体C3D8H单元，杨氏模量E为2．1e5MPa，表1各工况载荷定义泊松比λ为0．3。橡胶块采用八节点线性六面体载荷工况C3D8

7、IH单元，橡胶生产厂家提供的Mooney－Ｒivlin垂向载荷Fz/kN横向载荷Fy/kN常数C10=1．0MPa，C20=0．25MPa。工况2(直线工况)1．25P0=750工况3(曲线工况)1．25P0=750．7P0=42工况4(道岔工况)1．25P0=750．42P0=25．2工况5(超常工况)90+P0=150α(10+P0/6)=20注:表中P0为轮重，此处取P0=60kN。α为系数，保险起见此处取α=1。图2有限元模型接触对即弹性车轮部件(轮心、轮辋、橡胶块及压环)在压装过程中所有可能的接触关系，接触关系如图3所示。接触对的设置首先要保证计算过程