复杂应力状态下橡胶球铰承载特性与疲劳寿命研究

分类号密级复杂应力状态下橡胶球铰承载特性与疲劳寿命研究研究生姓名：杨荣华指导教师姓名、职称：丁智平教授学科专业：机械设计及理论研究方向：现代机械强度理论及应用湖南工业大学二〇一三年六月三日分类号密级复杂应力状态下橡胶球铰承载特性与疲劳寿命研究StudyonBearingCharacteristicsandFatigueLifeofRubberBushingunderMultiaxialStressState研究生姓名：杨荣华指导教师姓名、职称：丁智平教授卜继玲教授学科专业：机械设计及理论研究方向：现代机械强度理论及应用论文答辩日期2013.6.6答辩委员会主席湖南工业大学二〇一三年六月三日湖南工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期：年月日湖南工业大学论文版权使用授权书本人了解湖南工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：导师签名：日期：年月日I摘要随着我国经济水平和工业技术的迅猛发展，橡胶弹性元件在汽车、轨道车辆、桥梁、机械制造等行业中得到广泛应用，橡胶球铰作为轨道车辆转向架上的典型橡胶弹性减振元件，运行工况复杂，受到多轴载荷作用，准确评估其承载特性和使用寿命至关重要。因此提出正确评价其承载特性与疲劳寿命的方法，为橡胶元件的设计提供理论依据和技术支持，具有重要的理论意义和工程实际应用价值。本文分别基于断裂力学理论和连续介质损伤力学理论建立了橡胶材料裂纹扩展疲劳寿命预测模型和裂纹萌生疲劳寿命预测模型。通过研究相应的等效应力计算方法，提出了复杂应力状态下橡胶元件的疲劳寿命分析方法。最终结合有限元分析ABAQUS软件对橡胶球铰的承载特性和疲劳寿命进行分析，并通过相应的疲劳试验进行验证。本文内容主要分为五个部分：1）橡胶材料的本构关系这一部分主要分析了现有的橡胶材料本构模型，并基于橡胶材料基础力学实验数据对各个模型进行拟合，获得了材料本构参数。2）橡胶球铰的承载特性分析该部分主要根据获得的材料参数，采用ABAQUS软件对两种类型的橡胶球铰的承载特性进行了分析，并与实验测试结果进行了对比验证。3）橡胶材料裂纹扩展寿命预测模型基于断裂力学理论，通过橡胶材料裂纹扩展疲劳实验，得出了裂纹扩展率与撕裂能之间的幂律关系，创新性地提出了单位撕裂能的概念，建立了以单位撕裂能范围为损伤参量的橡胶材料疲劳裂纹扩展寿命模型。4）橡胶材料裂纹萌生寿命预测模型基于连续介质损伤力学理论，以Ogden应变能函数定义的损伤应变能释放率描述材料的疲劳损伤过程，通过正交法则导出了以损伤等效应变范围为损伤参量的疲劳损伤演化方程，建立了橡胶材料疲劳裂纹萌生寿命预测模型。5）橡胶球铰的疲劳寿命分析通过疲劳载荷工况下转臂橡胶球铰的有限元分析，基于橡胶材料II的等效应力计算方法，得出橡胶弹性元件在复杂应力状态下的等效应力，根据无切口橡胶拉伸试样的应力应变关系求出相应的等效应变；分别采用裂纹扩展寿命预测模型和裂纹萌生寿命预测模型对橡胶球铰进行疲劳寿命预测，并与橡胶球铰的台架疲劳试验结果进行对比，分析了产生预测误差的主要原因和影响因素。最后，对整个论文的主要工作和结论进行总结，并提出了今后研究工作的展望。关键词：橡胶球铰，承载特性，撕裂能，等效应变，疲劳寿命IIIABSTRACTWiththerapiddevelopmentofChina'seconomyandindustrialtechnology，rubberelasticabsorbershavebeenthepromotionandapplicationoflargeareaintheautomotive，railvehicles，bridge，machinerymanufacturingandotherindustries，someareashasgraduallyreplacedthemetalelasticabsorbers，therubberbushingisatypicalrubberelasticdampingabsorberofrailvehiclesteeringframe，itworksoncomplexandmultipleloadingconditions，itisveryimportantforevaluatingthebearingcharacteristicsandfatiguelifeaccurately.Therefore，buildingacomprehensiveevaluationsystemtoevaluatethebearingcharacteristicsandfatiguelife，providingatheoreticalbasisforthedesignofrubbercomponents，ithasimportanttheoreticalsignificanceandengineeringpracticalvalue.Basedonthetheoryoffracturemechanicstheoryandthecontinuumdamagemechanics，fatiguelifepredictionmodelsofcrackinitiationandcrackpropagationforrubbermaterialhadestablishedinthispaper.Throughthestudyofcorrespondingequivalentstresscalculationmethod，puttingforwardthefatiguelifeanalysismethodofrubbercomponentsincomplexstressstates.Finally，thebearingcharacteristicsandfatiguelifeoftherubberbushingwereanalyzedbyusingthefiniteelementanalysissoftwareABAQUS,andthenverifieditbythefatiguetest.Themaincontentofthisthesisisdividedintofivesections：1）ConstitutivemodelsofrubbermaterialInthispart，existingconstitutivemodelsofrubbermaterialswereanalyzed，basedontherubbermaterialsmechanicsexperimentaldata，eachmodelwasfitted，thematerialconstitutiveparameterswasobtained.2）BearingcharacteristicsanalyzeofrubberbushingWiththematerialconstitutiveparameters，byusingtheABAQUSsoftwareandselectingtheappropriateconstitutivemodel，twotypesofrubberbushing'sbearingcharacteristicswasanalyzed，andthecompareditwiththeexperimentalresults.3）CrackpropagationlifepredictionmodelofrubbermaterialIVBasedonthetheoryoffracturemechanicsandrubbermaterialfatiguefracturemechanism，throughtheFCGfatiguetestofrubbermaterial，givingpower-lawrelationshipbetweenthecrackgrowthrateandtearingenergy，proposingtheconceptofunittearingenergyinnovatively，andthenbuiltthefatiguecrackpropagationlifemodelwithunittearingenergyrangeasdamageparametersforrubbermaterial.4）CrackinitiationlifepredictionmodelofrubbermaterialBasedoncontinuumdamagemechanicstheory，defineddamagestrainenergyratebyOgdenstrainenergyfunction，andthendescribedthematerialfatiguedamageprocessbyit，derivedrubbermaterialfatiguedamageevolutionequationbyquadraturerules，builtthefatiguecrackinitiationlifemodelwithequivalentstrainrangeasdamageparametersforrubbermaterial.5）FatiguelifeanalysisofrubberbushingThroughtheFEAofrubberbushingunderfatigueloads，combinedtheequivalentstresscalculationmethod，obtainedtheequivalentstressofrubberelasticabsorbersinmultiaxialstressstate，Throughthenonotchtensilestress-strainrelationshiptoobtainequivalentstrain；Thenpredictedthefatiguelifeoftherubberbushingbycrackpropagationandcrackinitiationlifepredictionmodel，thepredictionlifewascomparedwiththefatiguetestresultsandthecauseandeffectoffactorsoferrorwereanalyzed.Finally，themainworkandconclusionsaresummarized，andtheprospectofthefutureresearchwork.KeyWords：rubberbushing，bearingcharacteristic，tearingenergy，equivalentstrain，fatiguelifeV目录摘要...............................................................................................................................IABSTRACT...................................................................................................................III第一章绪论........................................................