粘弹性悬架组合阻尼结构特性研究

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大型工程车辆具有作业生产率高、单位土(石)方施工成本低的优点,然而由于大多数工程车辆在“非路面”上行驶作业,凹凸不平的地面对其(特别是履带式工程车辆)振动冲击十分剧烈,并且此现象随机型的增大而更显突出。因此,如何解决大型工程车辆受振动冲击剧烈及其引起的诸多问题,已成为我国大马力、高品质工程车辆研发亟待解决的新课题。而新型粘弹性悬架(下称“V-E悬架”)在大型工程车辆中的成功应用为此问题的解决提供了思路和途径。虽然国内外已有此类悬架的结构形式、设计方法和动态性能的报道,但有关其结构特性的报道较为鲜见。本文针对大型工程车辆缓冲减振所需的V-E悬架组合阻尼结构特性开展了研究,并引入N组合层阻尼结构形式对现有V-E悬架结构的机械、阻尼参数加以改进。着重探讨了V-E悬架组合阻尼结构的力学特性、“热蚀”、应力—热耦合失效建模、机械—阻尼参数一致优化和疲劳特性等问题。本文得到国家自然科学基金等项目的资助。具体研究工作如下:  1、研究了组合阻尼结构的承载特性。以常用矩形和圆盘状组合阻尼结构为例,推演其单组合层和N组合层结构的静、动态压缩刚度方程,获得其形状因子对刚度特性的影响规律;讨论了不同炭黑含量、大变形和体积压缩时刚度值的修正方法;提出了“刚度密度”的概念,研究发现正方形组合阻尼结构的刚度密度大于圆盘形结构;分析了N组合层结构的压缩稳定性,给出了扭曲失稳临界扭曲力和临界压缩变形的计算公式。  2、开展了V-E悬架组合阻尼结构动态特性和“热蚀”建模研究。建立了悬架组合阻尼结构动态特性及“热蚀”分析的有限元模型,为应力与热耦合失效分析奠定基础;基于热流分流和热流叠加法,推导并验证了N组合层悬架结构的“热蚀”解析模型,获得了便于工程计算的温度、热流分布公式。  3、针对V-E悬架组合阻尼结构应力—热耦合失效现象,建立了应力场—温度场耦合有限元分析模型;在工程车辆典型工况下,对现有悬架组合阻尼结构进行动态耦合分析,获得其应力—温度耦合分布特性,发现其结构设计的不足并给出了改进建议。  4、基于应力场—温度场耦合模型,提出了应力—温度耦合分布“均匀体”的一致优化策略,实现了现有V-E悬架和N组合层型悬架机械—阻尼参数的一致优化。研究表明,N组合层阻尼结构相对单组合层阻尼结构具有较大的承载能力和较高的振动耗散率,可用于提高组合阻尼结构的刚度和损耗因子;而采用“均匀体”策略一致优化后的应力—温度耦合分布更趋均匀化。例如,本文一致优化后的8组合层V-E悬架比现有悬架振动能耗散率增加约87.52%,静刚度值提高约24.98%,动刚度提高约32.96%,橡胶平均动应力下降约26.38%,悬架平均稳态温度下降约14.33%,悬架稳态温度分布标准差下降约28.55%,而橡胶动应力标准差增加仅约7.81%(3Hz切土推土工况)。  5、对V-E悬架的疲劳特性开展了研究。给出了V-E悬架疲劳试验的理论和方法,开展了疲劳试验研究,获得其疲劳失效的特征。试验表明交变应力作用下V-E悬架刚度损失、“热蚀”现象明显,,此结果验证了应力—热失效的耦合特性。  综上所述,本文的研究成果可为我国大马力、高品质工程车辆V-E悬架的研发提供理论依据和参考,也可为其他车辆或机械缓冲减振装置的研发提供思路和方法。
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