层状簧重载下失稳分析和建议.doc

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1、圆柱形橡胶层状簧垂向失稳分析和设计优化陈文海，陈灿辉，莫荣利，王进（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲212007）摘要：本文分析了圆柱形橡胶层状簧垂向重载下失稳的原因，通过对产品进行试制并结合有限元分析，提出了改进的方法和建议,最后对改进后的产品进行试验，验证了方法的可靠性。关键词：圆柱形橡胶层状簧；失稳；有限元分析AnalysisonunstableperformanceofrubberlayerspringunderverticalloadandOptimalDesignChenWen-hai,ChenCan-hui,MoRon

2、g-li,WangJin(ZhuzhouTimesNewMaterialtechnologyCo.,Ltd.,Zhuzhou212007Hunan,China)Abstract:Thisessayanalysesthereasonsofunstableperformanceofcylindricalrubberlayerspringunderheavyverticalload.ThanproposeaimprovedmethodbymakingsometrialsamplesandusingABAQUStoanalyse.Atlastthe

3、testingresultsoftheimprovedproductsapprovethemethods.Keywords:rubberlayerspring;unstable;FEA第4页共4页圆柱形橡胶层状簧广泛应用于各机车转向架，起一系、二系的减振作用。随着产品的种类型号不断增多，高度不断增加，层数不断增多，其垂向重载下的失稳是设计时的难点之一，它影响着产品使用安全性和列车的安全运行。本文首先介绍了圆柱形橡胶层状簧的失稳的现象，然后结合有限元分析软件，分析了失稳产生的原因，提出了优化方案，最后用试验验证了设计优化方案，保证了产品在重载

4、下的稳定性。1层状簧的失稳现象在设计某垂向载荷大，刚度要求小的圆柱形橡胶层状簧时，对产品进行了初步的设计和简易样品的试制。其工作过程只承受垂向载荷，但在试验时发生了失稳现象，如图1。失稳现象外观上表现为层状弹簧中部开始向一侧偏移，不能保持原有的圆柱形态。这种失稳会产生严重的安全隐患。图1失稳现象2失稳原因分析2.1理论分析圆柱形层状弹簧在承受一定的垂向载荷作用下，橡胶首先发生压缩，周向均匀挤压，当压力达到一定程度时，产品突然弯曲，不能够保持其原有的平衡状态就属于失稳。圆柱形层状弹簧失稳一般有图2中的两种方式[1]。第4页共4页图2圆柱形层状

5、弹簧的失稳示意图当层状弹簧只承受垂向载荷，限制了两端横向位移时，其失稳形式如图2a，当层状弹簧只限制一端，另一端可横向位移时，其失稳形式如图2b。本文主要是针对前者进行分析和讨论。层状弹簧在突然发生失稳时的载荷称为失稳临界载荷。一般有：P0∝其中：E为产品的弹性模量，h为产品橡胶高度R为橡胶截面的外径r为橡胶截面的外径i为产品的截面惯性矩若产品载荷P≤P0（P0为失稳临界载荷），则产品不发生失稳；反之，产品可能发生失稳。1.1产品分析结合理论，对产品进行失稳原因分析，初步分析有以下原因：1）橡胶硬度较低，产品的弹性模量E太小；2）层数设计、

6、产品高度与内、外径的选择不合理，使产品截面惯性矩太小；3）橡胶曲面弧度设计不合理，橡胶变形产生横向干扰力；4）中间隔板硫化过程发生变形，导致在产品垂向加载中，出现了横向的干扰力，增强了产品的失稳趋势。为了验证该分析，对产品模型进行了有限元分析。1.2有限元分析和验证采用该简易样品的轴对称模型进行精度验证，采用180°模型进行失稳模拟。模型结构如下图3所示：图3简易样品分析模型分析采用ABAQUS6.7软件进行，模型采用的单元和材料参数见表1和图4。表1有限元参数选取[2]部件金属橡胶单元类型CAX4RC3D8RCAX4HC3D8H材料参数弹

7、性模量E=210GPa；ν=0.3多项式PolynomialN=3图4橡胶材料的特征拟合曲线取对简易样品进行垂向刚度和挠度性能分析，其结果曲线如图5。可以看出，用的材料模型可以较准确地对产品进行分析[3],其结果是可信的，具有指导意义。第4页共4页图5有限元分析与试验结果对比为了模拟和分析层状簧失稳的现象，建立一个180°模型，施加垂向载荷和很小的干扰力后，其分析结果如图6。图6失稳有限元分析结果对此三维模型分别进行胶料硬度、层数、内外径、以及橡胶圆弧型面的调整。通过输出失稳处隔板的横向偏移变化dx来分析各参数对失稳的影响。结果统计如表2。

8、表2各因素对性能的影响因素原始参数调整后前后偏移变化dx影响程度干扰力22.53.91硬度55604.12型面圆弧R直面过渡R10圆角过渡2.54外径2652703.23内径18