轴箱定位节点刚度和强度校核

2017年第24卷第8期

技术与市场创新与实践轴箱定位节点刚度和强度校核

李仕林

(中车株洲电力机车有限公司，湖南株洲41007)

摘要：轴向和径向刚度是轴箱定位节点的主要特性，对转向架的整体刚度和寿命影响很大。从硫化橡肢材料的本构模 型分析入手，通过建立轴箱定位节点的有限元分析模型，运用有限元仿真分析软件计算其轴向、径向刚度值，将分析数据 与实验数据作对比，并通过分析应力分布，判断出产品的可靠性，为转向架的故障判断提供了参考，也为新型轴箱定位节 点的开发提供了可靠的设计依据。

关键词：轴箱定位节点；橡肢；有限元分析；ABAQUS

doi：10. 3969/j.issn.1006 - 8554. 2017.08.004

〇引言

ZMA100型转向架是我国自主研发的城轨车辆转向架之 一，设计上大量采用了橡胶弹性轴箱定位节点，用来承受轴向 和径向载荷，并起到减振和阻尼作用。轴箱定位节点的刚度值 是否合适对整个转向架构架的刚度和乘客乘坐的舒适性影响 很大，尤其在车辆启动、制动和曲线通过等冲击较大的情况下。然而，在使用上，轴箱定位节点损坏的情况比较突出，很多难以 达到运行80万km的要求。几次构架断裂的事故中，都发现轴 箱定位节点损坏现象。本文将针对这一问题，用有限单元法，验证定位节点的轴向和径向刚度是否满足要求，并将分析结果 与产品的型式实验数据对比，从而为判断是否因轴箱定位节点 刚度值超差而引起构架的整体刚性异常提供参考，并确定有限 元分析方法对指导设计过程的可靠性，为新型轴箱定位节点的 开发提供可靠的设计依据。

1材料本构模型

由于轴箱定位节点是超弹材料橡胶和金属硫化黏合而成 的，而超弹材料的有限元分析在学界一直是难点。因此，在进 人产品分析前，本节将就硫化橡胶的一些力学特性，即应力应 变关系作具体探讨。

一般认为硫化橡胶力学特性难以描述，它的力学行为较之 一般金属材料也显得更加复杂，一般金属材料的力学特性只需 要确定一些基本参数即可进行一般的静定、超静定问题计算，但是橡胶材料的性能还受到材料的配方成分和加工工艺温度，以及环境、应变历史、加载的速率等的影响，研究硫化橡胶材料 的本构模型是这类橡胶金属复合材料有限元分析的关键所在。

所谓材料的本构关系，就是材料的力学性能定量化的关 系，它描述的是物质特性。对不同的研究对象，给出正确的本 构方程，才有可能客观地反映出所研究问题的本质。在实际应 用中，本构关系是材料和结构强度、设计、寿命和安全评估的根 本。人们一般从下列三个主要方面对橡胶材料复杂的高度非 线性行为来进行研究:在静载作用下的非线性弹性行为;在循 环载荷作用下的粘弹性行为;在预应力作用后表现的应力软化现象，即Mullins效应。

对橡胶力学性能的描述方法通常主要有两类，一类是基于 热力学统计的方法;另一类理论则认为橡胶为连续介质的现象 学描述，如表1所示。

表1常用橡胶本构模型

模型

M ooney- Rivlin

(1次）

Neo- Hookean

(1次）

Yeoh

(3次）

Ogden

模型

系数2132N 对于各向同性材料，应变能加法分解成应变偏量能和体积 应变能两部分形式如下：

U=f〇! -3,珋2 -3) +g(/-1)

令贫=S f!1+(/-1)2,并且进行泰勒展开，我们得到 下式：

"'I s r A -3)(72-3)+|去（-1)2 ()

这种形式为多项式表示的应变能，参数^为我们选择的多 项式阶数。从的值决定材料是否可压:如所有A都为0,材料 是完全不可压的。对于多项式模型无论#值如何，初始的剪切 膜量抑，初始的体积膜量^，都决定于多项式一阶（#= 1) 系数：

2

M。= 2 (〔1。+ O n)，/c。= d

下面简单介绍常用的M ooney - Rivlin模型、Yeoh模型和 Ogden模型：

多项式模型式（1)的特殊形式可以由设定参数为。来得 到。如果所有〇 =0(¥0)，则得到减缩的多项式模型：

u'i o a-r y +i D r-1r)

i = 1i=0 D t

这就是Money- R ilin模型的表达式（本文对Y e h及Og­den模型不做阐述）。

从很多硫化橡胶有限元分析的经验来看，每一种模型都仅 能对某类特殊的曲线有较好的拟合能力，目前仍没有一种完全

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创新与实践

TECHNOLOGY AND MARKET

2

00 0.5 1 1.5 2

2.5

Axial Displacement(mm)

图2

轴向刚度分析数据与实验数据对比

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Radial displacement(mm)图3

径向刚度分析数据与实验数据对比

2.4 强度校核

额定载荷:轴向承载（11.8 kN )作用下，芯轴的应力值及应 力分布见图4(左)所示，此时芯轴的最大应力值为85 MPa ;径 向承载（11.8 kN )作用下，芯轴的应力值及应力分布见图4 (右），此时芯轴的最大应力值为2 MPa 。

极限载荷:轴向承载（2 kN )作用下，芯轴的应力值及应力

分布见图5(左），此时铁件芯轴的最大应力值为214 MPa;径向 承载(32 kN )作用下，芯轴的应力值及应力分布见图5(右），此 时芯轴的最大应力值为57 MPa 。

综合考虑实验数据、材料添加剂和计算量，本文选用M oo ­ney - Rivlin 模型拟合（式 2) 。 以橡胶材料的单轴拉伸、双轴拉 伸和平面拉伸实验数据为依据（图1左），并考虑材料的不可压 缩性，输人各项参数，并得到拟合曲线（图1右），金属材料泊松 比:0.3,弹性模量:25 MPa 。2.3刚度特性

轴向和径向刚度曲线如图2、图3所示，工作载荷范围内轴 向刚度:5.6 kN /mm ,径向刚度:12.5 kN/mm 。

2图1橡胶材料力学实验数据及计算参数

Vol . 24, No . 8,2017

理想的模型能很好地拟合各种胶料的实验曲线，而选择并确定 一种拟合方法并得到反映这一实验曲线的材料参数，则是有限 元分析工作的一个重要步骤。

橡胶材料分析计算时，本构模型的选择是根据材料及模型 的变形情况来选的，需要综合考虑材料的变形大小、材料的添 加剂、实验得到的数据的充足性以及计算时程序的收敛性等。 但总的来说，判断本构模型对这组材料是否适合，关键看利用 某本构模型拟合得到的应力应变数据与实验数据的吻合程度。 M ooney - R i i 模型基本能反映大多的橡胶的力学行为，且更 多适用于变形拉伸矣100%和压缩约30%的情况;下文将综合 考虑以上分析选择材料的本构模型。2

轴箱定位节点有限元分析

2.1 工况

轴箱定位节点额定载荷垂向、径向都是11.8 kN ,极限载荷 垂向、径向都是32 kN 。2.2

有限元模型及材料参数

使用UG 进行建模、使用ANSYS ICEM CFD 软件进行网格 处理，求解器采用ABAQUS ，其中C 3D 8H 单元模拟橡胶，C 3D 8I 单元模拟金属件，整模型的网格数量为165 000。

前文已述超弹性橡胶材料的力学性能受到多方面因素的 影响。获得真实数据的最好方式就是通过实验获得材料参数。 有限元计算程序通常可以处理8种实验的实验数据:单轴拉伸 和压缩实验，双轴拉伸和压缩实验，平面拉伸和压缩（纯剪）实 验，测定体积变化的实验。

6

4 2

8 6 4

11 11

11 11

(3)g u l l v

6 4

2

0 8

6 4

1X 1x 1

X

11

(M

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