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橡膠材料由于其獨特的物理和化學特性，在軌道車輛中廣泛用于減震降噪裝置，起承載、懸掛、牽引、隔震和緩沖的作用。橡膠材料具有復雜的分子特性及材料和幾何的雙重非線性，使得研究和建立材料的有限元分析模型較困難，且橡膠減震器外形結構復雜，很難通過解析公式預測其剛度、強度和疲勞壽命，因此對復雜的金屬一橡膠彈性減震元件的研究主要借助于有限元分析軟件。橡膠材料本構模型的選擇和模型參數的確定是有限元分析的關鍵，然而國內外標準化組織也沒有給出合適的試驗標準，因此研究不同的模型及模型參數對彈性減震元件有限元分析的影響意義重大。
金屬一橡膠彈性減震元件與傳統(tǒng)金屬彈簧相比，具有結構易于調整、減震降噪功效顯著、體積和質量小、無磨耗、免維護及安裝使用方便等優(yōu)點。本工作研究超彈模型參數對一種“三明治”式的金屬一橡膠復合錐形彈簧(以下簡稱錐形簧)垂直剛度和強度分析的影響。
錐形簧是金屬和橡膠疊層粘合構成的整體構件。該產品用作空氣彈簧的輔助彈簧，在空氣彈簧氣囊不工作時起主要承載作用，同時滿足車輛的運行要求。錐形簧的設計有嚴格的撓度限制和剛度要求，且應避免應力集中的產生。因此用有限元分析軟件研究錐形簧的剛度和強度特性不僅能縮短產品的研發(fā)周期，還能節(jié)約大量試驗費用。
超彈性材料的應變能密度函數是一個應變或變形張量的標量函數，該標量函數對應變分量的導數就是相應的應力分量。
超彈性材料的力學特性比金屬材料復雜得多，超彈性應力一應變關系通常在拉伸、壓縮和剪切變形中明顯不同。因此全面描述橡膠變形特性的靜態(tài)應力一應變試驗應包括單軸拉伸、雙軸拉伸和平面剪切。某橡膠典型的3種應力一應變曲線，試驗數據用來定義材料的模型參數。
根據錐形簧大變形的實際負荷情況，選擇Ogden本構模型能對大應變水平的求解提供最好的近似，同時較高階的模型可提供更精確的解。Ogden模型具有較廣泛的適用性。
較高階Ogden模型可提供更精確的解，但是由于誤差累計，將其用于有限元計算時會導致收斂困難，因此不建議采用太高階的模型。本研究用3 ~5階Ogden模型擬合錐形簧的負荷一位移特性曲線，并與試驗結果進行對比，找出最能反應錐形簧特性的模型階數，用于產品的結構強度分析。
錐形簧的結構和所受負荷都具有軸對稱性，因此使用軸對稱單元以提高分析效率。橡膠層使用Plane 182單元，鋼板層使用Plane 42單元，建立的有限元模型共有1908個單元1675個節(jié)點由于橡膠在周邊尺寸不變的情況下幾乎是不可壓縮的，即變形時僅僅是形狀改變而體積幾乎保持不變，因此錐形簧各橡膠層端部自由表面外形呈雙曲線形狀。由于錐形簧結構復雜，直接在Ansys軟件中建立有限元模型特別復雜，因此在其ICEM CFD專業(yè)前處理工具中建立有限元模型。在ICEM CFD中建立的是規(guī)整的映射網格，對于具有大變形特性的橡膠材料，該網格能很好地滿足分析要求。網格在局部位置進行重劃，局部重劃不會影響分析質量。
本研究錐形簧空載時負荷為38 kN，滿載時負荷為90 kN，正常工況下的負荷為64 kN，各負荷階段錐形簧的剛度和撓度有明確的設計要求。根據錐形簧實際工況，對芯軸端部各節(jié)點施加垂直負荷，研究Ogden模型參數對錐形簧有限元分析的影響。
根據錐形簧實際工況，采用不同階數Ogden模型分析其靜剛度曲線。從圖可以看出，錐形簧負荷小于40 kN時，3階Ogden模型的分析結果與試驗值較吻合，負荷大于60 kN時與試驗值相差甚遠，因此在分析錐形簧小負荷作用時可選用該模型；負荷為45~70 kN時4階Ogden模型的分析結果與試驗值最相符合；負荷大于70 kN時5階Ogden模型的分析結果與試驗值較吻合，在低負荷作用時與試驗值相差較大，因此分析錐形簧超常負荷情況時可以選用該模型。由此可見，在錐形簧的整個負荷范圍(38 ~90kN)內，4階Ogden模型的分析結果與試驗值較符合。
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