转向架轴箱橡胶节点疲劳寿命的有限元分析

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1、第34卷第2期铁道机车车辆Vol．34No．22014年4月ＲAILWAYLOCOMOTIVE＆CAＲApr．2014文章编号:1008－7842(2014)02－0051－04转向架轴箱橡胶节点疲劳寿命的有限元分析王鑫，吴智强，吴绍利，毛昆朋(中国铁道科学院金属及化学研究所，北京100081)摘要建立转向架轴箱橡胶节点的三维实体模型。通过非线性有限元分析，得到节点橡胶衬套应变云图，并对节点疲劳寿命的影响因素进行阐述。将节点在不同载荷工况下的最大Green－Lagrange应变作为疲劳破坏参数，预测转向架轴箱橡胶节点的疲劳寿命。通过扩大节点外钢套端部空

2、间，有效提高转向架轴箱橡胶节点实际使用寿命。关键词转向架;橡胶节点;应变;有限元分析;疲劳寿命+中图分类号:U260．3313文献标志码:Adoi:10．3969/j．issn．1008－7842．2014．02．13转向架轴箱橡胶节点传统设计是先出试验样品，然应变来表示，因为应变在橡胶试验中很容易测得的，所后进行样品刚度试验，根据样品测试结果对产品设计进以最大Green－Lagrange应变作为疲劳破坏参数更能吻［1］行修改，最后进行疲劳测试，直到满足设计要求。该合橡胶元件的疲劳寿命。本文最大Green－Lagrange应过程耗时长，且装车使用易出现

3、早期疲劳失效问题。主变通过非线性有限元分析仿真得到。［4］要原因是车辆在实际运行中，转向架轴箱橡胶节点既受根据研究结果，Green－Lagrange应变的计算公横向载荷、纵向载荷和扭转载荷的作用，同时还要承受式为:车辆的垂直载荷作用，由于受力情况复杂，橡胶节点很1(2)εGL=(1+ε11)－1［2］2难达到设计要求的使用寿命。图1是某型号机车轴箱橡胶节点在接近使用寿命一半时失效的图片。式中，εGL为Green－Lagrange应变;ε11为主应变。最大Green－Lagrange应变作为疲劳破坏参数的疲劳寿命计算公式为:－0．115εGLmax=4．

4、989(Nf)式中，εGLmax为最大Green－Lagrange应变;Nf为疲劳寿命。1．2橡胶节点有限元模型橡胶类不可压缩材料在数值模拟时容易引起一些困难，比如体积锁死、求解不精确等，有时甚至容易发生图1机车轴箱橡胶节点失效的照片计算不收敛情况。在该有限元分析时，对弹性体的分析，选择了特殊的“F－BAＲ”单元，建立一个六面体网有限元分析目前被广泛应用于结构计算，但通过非格的拓扑结构，这是一个8节点的三维一阶等参单元。线性有限元分析对转向架轴箱橡胶节点进行分析设计模型尺寸数据通过对同一转向架轴箱橡胶节点横截面却鲜有报道。这可能是因为橡胶弹性元件是力学

5、行为测量而得。［3］十分复杂的黏弹性体。本文通过构建橡胶节点模型，橡胶节点由外钢套和橡胶衬套组成，当节点受压并利用非线性有限元分析对转向架轴箱橡胶节点进行时，较大的形变和局部的高应力，使弹性层挤满了外钢改进设计，使预期疲劳寿命比原结构大幅提高，实际装套缝隙，导致模型不可预知，意味着节点模型很复杂，因车使用达到设计要求。此，我们用两个不同的节点模型来实施分析。1橡胶节点有限元分析节点模型Ⅰ含有外钢套和钢套间的缝隙，见图2。1．1计算公式当对节点模型施加预压载荷时，橡胶衬套的网格密度出橡胶的疲劳破坏参数可以用最大Green－Lagrange现收敛问题，同时

6、在靠近缝隙的橡胶位置出现了更大的王鑫(1983—)男，助理研究员(收稿日期:2013－11－22)52铁道机车车辆第34卷应变。由于没有更为详细的子模型或合适的划分网络时，限制轴芯的X轴。如图4和图5。方法，缝隙处橡胶的应变很难精确预测，所以我们又建立了没有外钢套的节点模型Ⅱ，见图3。图4橡胶节点在预压、径向、偏载和扭向的正交视图图2节点模型Ⅰ图3节点模型Ⅱ图5橡胶衬套在预压、径向、偏载和扭向的正交视图节点模型Ⅱ不含外钢套，同时所有关于外钢套的边1．4材料界条件应用到橡胶衬套外表面，模型Ⅰ和模型Ⅱ的橡胶橡胶节点外钢套为EN25号高强度钢，材料为镍—衬套

7、网格密度一样。铬化钼合金高。在有限元分析中，我们将外钢套视为刚有限元分析中所有的应变和刚度是通过节点模型体，以保证在任何载荷下没有局部形变，确保分析中的Ⅱ得到的，这是由于其在大形变载荷下具有优越的数据形变均为橡胶衬套形变。收敛稳定性。节点模型Ⅰ仅是为了得到不同预压载荷橡胶衬套采用硬度为55的天然胶。在有限元分析时相应的压缩位移量。中，我们选择了较为接近的硬度为57的天然胶。1．3载荷和边界条件1．5载荷工况在节点模型承受4种主要载荷中，其中预压、偏载(1)建立原橡胶节点的有限元模型，进行极限和扭向是通过位移来控制的，而径向是通过力控制。为75kN和标准

8、38kN的疲劳复合加载:了简化运用这些复合载荷，径向力转化成相应的位移，a预压:1．5mm，径