采用ANSYS的橡胶弹簧的有限元建模与仿真

　CAD/CAE/CAPP/CAM现代制造工程2008年第5期

采用ANSYS的橡胶弹簧的有限元建模与仿真

任茂文,周长峰

(1江苏电大泗洪分校,泗洪223900;2东南大学机械工程学院,南京210096)

摘要:建立AD250铰接式自卸车前悬架橡胶弹簧的参数化非线性有限元接触模型,比较橡胶弹簧实体建模与平面建模的计算精度,并分析大载荷下橡胶弹簧内部应力的分布,得到的结果与试验结果有很好的一致性。此模型可为橡胶弹簧结构的参数优化提供理论支持。关键词:橡胶弹簧;非线性;有限元分析

中图分类号:U463133+415　文献标识码:B　文章编号:1671—3133(2008)05—0059—04

1

2

Rubberspringπsfiniteelementsimulationmodeling

andsimulationbasedonANSYS

RenMao2wen,ZhouChang2feng

1

2

(1SchoolofSihong,JiangsuTVUniversity,Sihong223900,Jiangsu,CHN;2ofMechanical

Engineering,SoutheastUniversity,Abstract:TheAD250hingetypedumptruckfrontsuspensionsp2linearfiniteelementcontactmodelhasbeenestablished.Thecomputationalaccuraciesofandtheplainmodellinghavebeencompared.Besides,therubberspringinternaloadhasbeenanalyzed.Therearegooduniformitybetweentheresultandtheexperimentalpthetheoreticalsupportfortheparameteroptimizationoftherubberspring.

Keywords:Rubbers2Finiteelementanalysis

　　近年来,具有可变刚度特点的橡胶弹簧和空气弹

簧在工程车辆的悬架系统中已逐渐得到应用。橡胶弹簧的弹簧力均由橡胶提供,三个方向都具有柔度,而且还具有体积小、结构简单、耐磨、耐腐蚀和耐疲劳等优点,所以受到重型工程车辆(如自卸车等)制造厂商的重视。采用橡胶弹簧悬架后,可显著地缓和冲击,减少颠簸,从而改善驾驶员的劳动条件,提高行车车速。本文研究的橡胶弹簧用于AD250铰接式自卸车上,该车的悬架系统采用三点式悬架结构,前悬架为半独立悬架,后悬架为平衡悬架。前后悬架的关键件都是主要承受垂向载荷的橡胶弹簧。橡胶弹簧在外载作用下的刚度特性是重要的物理参数,直接影响被支承体系的减振特性。虽然可以根据材料力学、弹性力学建立经验或半经验公式,计算出类似于圆柱等规则形状橡胶弹簧的刚度特性,但对于外形复杂的橡胶弹簧则无能为力。而且橡胶弹性元件在外载作用下的变形同时具有几何非线性、材料非线性和边界条件非线性(接触)的特点。非线性有限元数值仿真则是解决橡胶元件大变形问题的有效方法。本文借助

于有限元分析软件ANSYS,对橡胶弹簧进行数值模拟和仿真,降低了非线性有限元研究的难度,为橡胶构件大变形研究提供切实可行的方法。

1　橡胶弹簧有限元接触模型的建立

111　超弹体的理论描述

橡胶体是一种超弹性材料,橡胶力学性能的描述方法主要分为基于连续介质的现象学描述和基于热

[1]

力学统计的描述。现象学描述方法假设未变形状态下橡胶为各向同性材料,这种各向同性的假设是用单位体积应变能密度来描述橡胶特性。而基于热力学统计方法的描述则认为:橡胶的弹性恢复力主要来自橡胶中熵的减少,由橡胶中分子链的长度、方向以及结构的统计特性得到橡胶的本构关系。到目前为止,较成熟的本构模型主要有基于连续介质力学理论的多项式模型、Ogden模型以及基于热力学统计理论的Arruda2Boyce模型等。本文分析的橡胶弹簧在工作工况下呈大变形,故选择Ogden模型进行橡胶弹簧的有限元仿真研究。

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　现代制造工程2008年第5期

λ2、λ3为变量,Ogden应变能以三个主伸长率λ1、有限元分析时应变能U为:

N

μiaj2ajaj

U=2(λ1+λ2+λ3-3)+

i=1N

CAD/CAE/CAPP/CAM

0101。图3所示的橡胶弹簧三维立体模型中,采用Conta174单元和Targe170单元接触副,给定的法向容

aj

许穿透量为0100127,选用拉格朗日乘子和罚函数混

合法求解接触问题

。

D

i=1

i

(J-1)

2i

………………………(1)

式中:N为应变能阶数;J为弹性体积比;Di为可压缩性。在Ogden模型中,μi由全部系数决定;aj(j=1,…,m)为超弹性材料系数,其中m为本构模型中待定系数的个数。112　橡胶弹簧有限元建模

由于橡胶弹簧几何形状、载荷及约束条件和材料特性都满足轴对称特性,如图1所示,因此可以采用二维平面模型模拟橡胶弹簧实体。本文为了比较三维实体建模与二维平面建模的计算精度和仿真效率,建立了二维半平面有限元模型和1/8三维立体有限元模型。本文选择超弹单元HYPER56和HYPER158对橡胶弹簧的变形状态进行数值模拟。由于橡胶弹簧本体形状不规则,故采用22D4节点位移2压力杂交单元HYPER56进行橡胶本体4级精度的自由划分,并在橡胶弹簧的各边界处进行网格细化限元模型共有1184个节点、1342示。1/8节点三维超弹单元SID实体单元,划分网格后共有、2637个单元,如图3所示。一个超弹有限元问题分析成功与否,很关键的一点是橡胶材料参数的选取,在现有文献中,通常查不到此参数,需要通过试验得到。常做的测试有:单轴拉伸(或等效的等双轴压缩)、等双轴拉伸(或等效的单轴压缩)、剪切(平面拉伸或压缩)。材料参数如下:μ1=010021185,a1=81314;μ2=1139241,a2=115196;μ3=114341,a3=115196

。

图2　

二维半平面有限元模型

图3　1/8三维立体有限元模型

施加压力载荷,根据实际承受的载荷和钢套的面

积计算出钢套上应该施加的压力值,约束对称面的XOY面的Z向位移、ZOY面的X向位移以及 …… 此处隐藏：3788字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……