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预应力状态下橡胶筒性能分析研究

时间: 2011-07-09 03:48 来源: 作者: 株洲时代橡塑股份有限公司 黄友剑 由小川 点击:
摘要:橡胶筒是一类在预应力状态下工作的典型橡胶弹性元件,预应力状态下,橡胶筒各向性能极为复杂,且设计的结构必须满足刚度及刚度匹配要求,并对其使用寿命要求很高,本文运用ABAQUS软件就其各向性能与周向预压量的关系进行系统研究,并得出了一些与工程设计有关的结论。

1、工业应用与要求

橡胶筒是一类圆柱形的纯橡胶弹性元件,在机械、机车、船舶、军工中得到广泛应用。使用时,先将橡胶筒压入工装轴孔(轴孔直径比橡胶筒直径小,见图1)内,使其形成一定的周向预应力,工作中橡胶筒能反复承受径向、轴向、偏转、扭转等方向较大的变形,以适应产品所需的“万向”运动;同时,由于产品能承受一定量的周向预压,产品始终在压、剪应力状态下工作,大大延长了产品的使用寿命。


图1橡胶筒与工装

但是,由于周向预压缩量影响、甚至决定了产品的各向刚度和刚度匹配,压缩量偏大或偏小都将改变径向、轴向刚度性能,甚至使得刚度性能完全达不到设计要求,因此,设计时必须考虑以上二种因素:1、尽可能提高周向预压缩量,使其在各种复合载荷作用下,均为压、剪应力,避免出现影响其疲劳寿命的拉应力;2、调整预压缩量,使其各向刚度均能满足性能要求。为满足以上两个因素,需要就预压缩量对产品应力的影响,对径向、轴向刚度影响进行系统研究。

2、材料本构模型的选择

橡胶筒所使用的材料为天然橡胶,具有材料高度非线性,在力学分析中,描述橡胶材料力学性能的实验为单轴拉伸、双轴拉伸和平面剪切实验,本文分析所用橡胶材料的实验数据是超弹材料三类基本的应变状态。

为描述橡胶的力学性能(特别是弹性性能),ABAQUS提供了许多超弹模型可供选择。本文分析的橡胶筒在工作工况下呈现大变形,使用Ogden模型比较合适。Ogden模型的应变能函数为:

其中U是应变势能;N是应变能阶数;mi-剪切模量;Jel—弹性体积比;Di-可压缩性。

3、过盈接触分析

将橡胶筒压入预设的工装内,实现这一过程是高度非线性的过盈接触问题,在ABAQUS 中,过盈装配是通过自渐变穿透功能完成的。压装后的最终结果如图3所示。


图3过盈压装图

橡胶筒压入工装,橡胶筒内部形成了一定的周向预应力,橡胶筒上下形成的一对鼓形外圈,能有效调节摆动,提高产品的稳定性;同时,随周向预压缩量的增加,橡胶筒的应力将发生变化,对于橡胶筒来说,使用过程中,易出现疲劳破化的部位是外部圆弧R上,从图4可知,周向应力出现了类似正弦波形的趋势,因此,选择合适的压缩量(如预压缩量为8~12mm时),能适当改善产品的应力效果(准确地说是应变效果),有利于提高产品的使用寿命。

4、径向性能分析

作为弹性活动关节,橡胶筒能传递牵引力,降低传力过程中的冲击和对连接件的干扰,因此,现代机车都装置了一定数量的弹性橡胶筒类元件,以实现柔性连接和传递。为此,我们运用ABAQUS软件就其径向性能进行系统研究。

根据分析,随着周向预压量的增加,径向刚度越来越大,径向性能的非线性变得更为强烈,同时,不管周向预应力如何,其径向性能都有一定范围的线性刚度,只是随预压量的增加,线性刚度范围越来越窄。图6为周向预压为8mm,径向受载时的应变云图。


图6周向预压载荷下橡胶筒的应变

5、轴向性能分析

为有效调节和控制摆动,降低冲击,实现平稳传递,橡胶筒对轴向性能有一定的要求。在计算机上,我们成功地模拟了轴向刚度与周向压缩量的关系。

随周向预压缩量的增加,轴向刚度逐步降低,轴向刚度在线弹性范围内变的越来越窄,非线性愈来愈明显。同时随着预压缩量的增加,产品性能的不可预测性越来越大,产品的稳定性也越来越差,因此为提高产品稳定性,增强减振效果,预压缩量的选择应能使轴向性能在线弹性阶段最好。图8为预压量L为8mm,轴向受载时的应变云图。从图可知,有预应力产品轴向受载时,其应力、应变分布均匀,有利于提高产品的使用寿命。


图8轴向应变图

6、结论

在压装过程中,径向应力随周向预压量的增加呈正弦波式的变化趋势,选择应力为波峰时的周向预压量,能明显改善产品的综合性能。

随着周向预压量的增加,轴向刚度越来越小,径向刚度变得越来越大,径、轴刚度比越来越大。

不同预压量L下,其径、轴线性刚度值,径、轴刚度比如下表所示。


随周向预压量的增加,轴向性能越来越不稳定,呈现出明显的非线性和不可预测性。

参考文献:
[1] D.J.Chanltch,Rubber.Chem.Technol..Vol.67(1994).481-503;
[2] 方立新,半刚性组合结构的极限分析,工程力学增刊,1998,1:185-188;
[3] 刘永颐,我国预应力技术的发展和展望,施工技术,1999,28(12);
[4] 工程结构可靠性理论与应用,大连理工大学出版社,1996. (end)

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