用ABAQUS软件分析轴箱橡胶垫的性能

ABAQUS软件2003年度用户论文集-1-用ABAQUS软件分析轴箱橡胶垫的性能王明星、黄友剑、赵熙雍（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，412007）摘要：随着人们对铁路运输快捷性和舒适性要求的不断提高，橡胶减振产品在铁路上的应用特别是在转向架中的应用也越来越广泛，本文以美国HKS公司开发的大型有限元软件——ABAQUS软件为平台，讨论如何完成转向架用轴箱橡胶垫的有限元分析。关键词:ABAQUS、轴箱橡胶垫、减振、转向架一、引言轴箱橡胶垫是橡胶与钢板通过硫化工艺粘合在一起的“三明治”式叠层结构，这种结构是减、隔振装置中最常用的结构之一。此类结构的优点在于可以通过调整橡胶的倾斜角度来满足不同的三向刚度比要求，从而满足不同的工况要求。轴箱橡胶垫用于转向架轴箱与构架之间起承载作用，并在机车车辆运行过程中提供适当的横向和纵向刚度产品的二维图如图1所示，三维图如图2所示。图1二维模型图图2三维模型图ABAQUS软件2003年度用户论文集-2-二、分析过程1、建立有限元分析模型在进行三向受力分析时根据其结构以及载荷的对称性可以采用一半模型进行分析，在进行网格离散时金属部分采用三维八结点六面体单元C3D8，橡胶部分采用三维八结点杂交单元C3D8H。分析垂向和横向性能的模型共划分约30000个单元左右，分析横向性能的有限元离散图如图3所示。分析纵向性能的模型共划分约35000个单元左右。图3有限元离散图2、施加边界条件因产品在计算横向性能和纵向性能时均要求在垂向提供预压缩，因此分析时采用分步加载荷的方法，即首先在上面板加垂向载荷，然后保持载荷值不变在此基础上施加横向或纵向载荷，两步加载过程中产品下面板均约束。横向性能分析的加载情况如图4所示，纵向性能分析的加载情况与之类似在此不累述。图4横向加载示意图3、输入材料属性值参照TB/T1335—1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》的要求产品中金属材料性能如下：Ex（弹性模量）=206000MPaµ（泊松比）=0.3产品中橡胶材料可以近似认为是超弹性材料，对于超弹性材料，不用杨氏模量和泊松比表示应力-——应变关系，而用应变势能（U）来表达应力—应变关系。应变势能表达式如下：ABAQUS软件2003年度用户论文集-3-∑∑=+=−+−−=NjiNiielijiijjDiiCU11221)1(1)3()3(式中：U—应变势能Jel—弹性体积比I1、I2—应变不变量Di—定义材料的压缩性Cij—Rinvlin系数将橡胶材料的单轴拉伸、单轴压缩和平面剪切实验数据输入ABAQUS软件中，然后设置应变势能的表达式，程序会根据实验数据拟合出计算时所使用的应力——应变关系曲线，图4—图6列出的肖氏硬度50°左右的橡胶的实验数据与有限元软件拟合的数据的对比情况。通过比较，分析时采用与实验结果拟合的较好的OGDEN——N3模型。图5单轴拉伸的拟合曲线图6双轴拉伸的拟合曲线ABAQUS软件2003年度用户论文集-4-图7平面剪切拟合曲线4、计算结果分析4、1刚度分析结果本产品为新开发的产品，考虑到保密的要求，三向刚度的计算值与实验值在此不列出，本文仅给出计算结果结果与实验结果的偏差，其值如表1所示。表1与实验结果比较（%）垂向刚度+5.2%横向刚度+8.6%纵向刚度+9.5%从表1可知，有限元分析结果与实测结果相比，有一定的误差，其中，纵向刚度的误差值与实测值的比值最大，为9.5%，这个值在工程应用的许可的范围内。因此，有限元分析结果是可信的。4、2应力分析结果金属部分：计算垂向、横向、纵向性能时产品上、下铁板的最大Von——Mise应力值如表2所示，相应的应力云图如图8~13所示。表2最大Von—Mise应力（MPa）上面板37.77垂向性能下面板11.47上面板63.6横向性能下面板26.77上面板63.12纵向性能下面板39.28ABAQUS软件2003年度用户论文集-5-图8垂向变形时上盖板应力云图图9垂向变形时下盖板应力云图图10横向变形时上盖板应力云图图11横向变形时下盖板应力云图ABAQUS软件2003年度用户论文集-6-图12纵向变形时上盖板应力云图图13纵向变形时下盖板应力云图由表2及应力云图所示产品的在变形过程中铁件的最大Von—Mise应力小于规范中许用应力（规范中相应材料的许用应力值为161Mpa）。橡胶部分：产品变形过程中橡胶部分的最大Von—Mise应力值分别为1.293MPa、4.775MPa、3.149MPa，橡胶部分的应力云图如图14~16所示。图14垂向变形时橡胶应力云图ABAQUS软件2003年度用户论文集-7-图15横向变形时橡胶应力云图图16纵向变形时橡胶应力云图图17纵向变形局部放大图由图16、17可以看出，在橡胶纵向受力发生变形时，其中间打孔部位的橡胶易发生褶皱，如果发生褶皱，则在使用过程中这部分橡胶就会互相之间摩擦并生热，从而影响产品的使寿命。根据有限元分析结果，为避免纵向变形时开孔部位橡胶因褶皱而产生磨擦，建议此处开孔半径应不小于7mm为宜。三、分析结论1、利用ABAQUS软件分析的刚度结果与实验结果相比最大误差为9.5%，因此分析结果是可信的。2、该产品的铁件的Von—mise应力均小于TB/T1335－1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》规定的许用应力要求；橡胶部位的最大Von—mise应力均小于5MPa，橡胶材料可以满足要求。3、产品在开孔时，孔半径应不小于7mm为宜。ABAQUS软件2003年度用户论文集-8-四、参考文献1TB/T1335－1996《铁道车辆强度设计及试验鉴定规范》2郭仲衡，非线性弹性理论，科学出版社，1980年。3佘敏、蒋菊芬等，橡胶应用和机车车辆设计优化，1989年。4吕和祥、蒋各洋，《非线性有限元》，化学工业出版社，1992年。5D.J.Chaylton&J.Yang,有限元分析所用橡胶弹性特性的表征方法，袁立摘译，橡胶译丛，1996（3）。6FreakleyPK,PayneAR.橡胶在工程中应用的理论和实际[M].杜承译，北京，铁道出版社，1976，109～129。