【摘 要】
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锥形橡胶弹簧常应用于轨道交通之中,能起到减振、增加车辆舒适性的作用。橡胶弹性元件在工程应用中所面临的工况异常复杂,大变形与交变载荷的作用会对产品造成损伤,材料受到损伤后其疲劳寿命次数与刚度值都会受到严重影响,其损伤的大小将直接决定材料在工程中是否还能继续使用。因此了解橡胶产品的疲劳破坏因素与准确预测产品疲劳寿命至关重要。本文的主要工作如下:1.在综述国内外对于橡胶材料疲劳失效研究的基础上,总结引起
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锥形橡胶弹簧常应用于轨道交通之中,能起到减振、增加车辆舒适性的作用。橡胶弹性元件在工程应用中所面临的工况异常复杂,大变形与交变载荷的作用会对产品造成损伤,材料受到损伤后其疲劳寿命次数与刚度值都会受到严重影响,其损伤的大小将直接决定材料在工程中是否还能继续使用。因此了解橡胶产品的疲劳破坏因素与准确预测产品疲劳寿命至关重要。本文的主要工作如下:1.在综述国内外对于橡胶材料疲劳失效研究的基础上,总结引起橡胶材料疲劳失效的主要因素,如往复交变载荷、服役环境以及橡胶材料配方等。对于无初始缺陷的橡胶材料,其疲劳寿命一般由裂纹形核寿命、短裂纹扩展寿命和长裂纹扩展寿命组成,也可应用S-N曲线来预测橡胶材料的疲劳寿命。2.为了准确预测橡胶制品的疲劳寿命,使计算疲劳寿命与试验疲劳寿命相符,需要选取合适的橡胶材料本构模型。通过理论与试验数据的比较,发现MooneyRivlin模型计算数据与试验数据吻合良好,表明采用Mooney-Rivlin模型能够较好地模拟橡胶材料的力学行为。3.根据轨道车辆锥形橡胶弹簧的原始尺寸构建结构的三维有限元模型。首先采用ABAQUS构建结构三维几何模型,采用Hyper Mesh对几何模型进行网格划分;然后赋材料参数得到结构的物理模型,加边界条件进行有限元数值计算,导出载荷-位移曲线并进行刚度校核;最后采用FE-safe软件计算结构的疲劳寿命。计算结果表明,原结构的刚度和疲劳寿命均不符合设计要求。4.应用Isight对锥形橡胶弹簧进行仿真优化。根据结构设计要求,以锥形橡胶弹簧内层橡胶层的长度、厚度、隔板与水平线之间的夹角、内层橡胶层到对称轴的距离、外层橡胶层厚度等5个尺寸参数为优化设计变量,进行4水平5因素正交数值试验。优化设计结果表明,内层橡胶层的厚度和长度对结构的疲劳寿命有显著影响,外层橡胶层的厚度影响最小。5.以最小应变为优化目标,以正交数值试验确定的几何参数为设计变量,建立二阶响应面模型,采用多岛遗传算法对刚度约束条件下的锥形橡胶弹簧进行单目标多因素优化设计。结果表明,优化后的结构刚度系数为0.630k N/mm,在设计刚度系数范围内,疲劳寿命为496.3万次,设计疲劳寿命为350万次,疲劳寿命和刚度均达到设计要求。试验验证表明,计算疲劳寿命与试验疲劳寿命吻合较好,且模拟的疲劳失效位置与试验结果一致。
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