在電梯行業(yè)中橡膠彈簧組有限元分析方法

摘 要:論述了一種結(jié)合橡膠彈簧表觀彈性模量的計(jì)算方法和利用有限元軟件Simulation2009分析的方法，研究了在較為復(fù)雜的情況下，確定橡膠彈簧組的近似彈性模量，從而確定其變形量的方法。通過實(shí)驗(yàn)更驗(yàn)證了該方法的可靠性。

關(guān)鍵詞:電梯行業(yè);橡膠彈簧組;有限元分析

中圖分類號:TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)06-0305-01

0 前言

橡膠彈簧組在電梯的機(jī)械結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用十分廣泛，例如曳引機(jī)底座與建筑物之間間接影響乘客舒適感的減震連接，還有電梯轎廂和轎架之間的直接影響乘客舒適感的彈性連接等。橡膠彈簧相比于鋼制彈簧具有形狀的設(shè)計(jì)不受限制;彈性模量比較小，易產(chǎn)生較大的非線性變形;高內(nèi)阻，對沖擊和高頻振動(dòng)吸收好等優(yōu)點(diǎn)，但是由于橡膠彈簧使用的是粘-彈性材料，力學(xué)性能比較復(fù)雜，精確計(jì)算它的彈性模量比較困難，如果是多個(gè)橡膠彈簧組合使用那計(jì)算起來就更加困難了。因此，如果有一種分析橡膠彈簧組特性的方法就尤為必要了。

1 分析方法的原理

下面本文將要介紹一種新的計(jì)算方法來綜合分析多個(gè)橡膠彈簧組合時(shí)的受力變形情況，那就是通過理論計(jì)算不同截面橡膠的表觀彈性模量，將其乘以一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)得到近似的橡膠彈性模量E，并賦值進(jìn)入有限元軟件進(jìn)行分析，得出接近于實(shí)際情況的變形量。最終通過微調(diào)各處橡膠彈簧的硬度或微調(diào)他們的安裝位置，改變他們的變形量使其相等，實(shí)現(xiàn)減震的同時(shí)，讓電梯運(yùn)行更加平穩(wěn)。

2 分析方法的舉例

結(jié)合橡膠彈簧表觀彈性模量的計(jì)算方法和Simulation2009這款有限元分析軟件，我們以轎廂和轎架接口處的減震矩形橡膠彈簧組舉例說明。

下面將該彈簧組中的某一處橡膠彈簧簡化出來，該橡膠彈簧的參數(shù)為:長a=120mm;寬b=46mm;高h(yuǎn)=48mm;橡膠彈簧邵氏硬度HS=48;受正壓力為F=1078N，則:

計(jì)算形狀系數(shù)s為

S=ab2(a+b)h=120×462×(120+46)×48=0.346(1)

計(jì)算過程變量m為

m=10.7-0.098HS=10.7-0.098×48=5.996(2)

計(jì)算壓縮影響系數(shù)為

i=11+ba4+2ba+0.561+ba2ms2=11+461204+2×46120+0.56×1+461202×5.996×0.3462=4.002 (3)

計(jì)算橡膠彈簧的表觀切變模量Ga(MPa)為

Ga=0.117e0.034HS=0.117e0.034×48=0.598(4)

計(jì)算橡膠彈簧的表觀彈性模量Ea(MPa)為

Ea=i×Ga=4.002×0.598=0.393(5)

計(jì)算理論變形量f(mm)為

f=FhEaab=1078×482.393×120×46=3.917(6)

至此，該橡膠彈簧的理論變形量計(jì)算完畢，但由于是多個(gè)橡膠彈簧組合在一起，單純的計(jì)算不能反映出整體變形情況，因此需要將所有橡膠彈簧均建模進(jìn)行整體有限元分析，這里就需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，將不同截面和不同硬度的橡膠表觀彈性模量轉(zhuǎn)化為有限元中的橡膠實(shí)體彈性模量。

方法如下:將上式中的f值記錄，然后建立一個(gè)實(shí)體，材質(zhì)賦為橡膠，尺寸如例中所示，如圖1。

中間的夾層就是橡膠彈簧簡化模型，上下的兩層為硫化鋼板，材質(zhì)賦為普通碳鋼，它的變形不做考慮，僅作為接近實(shí)際工況的中間量考慮。

按默認(rèn)的橡膠彈性模量用有限元分析軟件計(jì)算出變形量，然后通過不斷自定義修改橡膠的彈性模量來改變分析出來的值，最終使

f1=f(7)

此時(shí)橡膠彈簧的變形是3.912mm，接近于3.917mm，如圖2。

記錄此時(shí)的新的橡膠彈性模量(X)MPa，經(jīng)過多次賦值和多次的模型分析，總結(jié)出一個(gè)近似經(jīng)驗(yàn)系數(shù)1.413，即

Ea=1.413E(8)

此處需要說明的是，由于建模后大家所采用的有限元分析軟件不同，所取的劃分網(wǎng)格大小也不同，最終得出的新的橡膠彈性模量也不盡相同，本文中使用的是Simulation2009這款有限元分析軟件，網(wǎng)格劃分均是按軟件默認(rèn)，得出了如上的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。如果使用的是Cosmos2008有限元分析軟件，按照默認(rèn)網(wǎng)格劃分則該系數(shù)變?yōu)榱?.083，但如果對單個(gè)橡膠彈簧分析和對橡膠彈簧組的整體建模分析，只要均采用同一種軟件，則對最終結(jié)果不會產(chǎn)生影響。

將組中各個(gè)橡膠彈簧的彈性模量均按照上述的近似值(X)來自定義賦值，再次經(jīng)過所受合力的作用，分析后就可得到如本文開始所述的實(shí)際所需變形值了。另外如果橡膠彈簧組中的所有單體的截面形狀不一致，那么需要按不同截面形狀分別推導(dǎo)出該截面的系數(shù)，例如圓形和矩形的系數(shù)是不一致的。然后再進(jìn)行微調(diào)等工作，本文不再贅述。

以上計(jì)算是僅考慮橡膠彈簧在受壓的情況下，產(chǎn)生減震和抗沖擊效果，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)所用的計(jì)算規(guī)則，靈活掌握，切不可生搬硬套。

3 結(jié)論

通過理論分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室的多次實(shí)驗(yàn)得出如下結(jié)論:

(1)經(jīng)過實(shí)際電梯運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的檢測，上述方法得出的橡膠彈簧組理論計(jì)算變形情況與實(shí)測基本符合。

(2)橡膠彈簧組的整體有限元分析可以通過單體的分析進(jìn)而推導(dǎo)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，最終帶入到整體，實(shí)現(xiàn)由微觀到宏觀的分析理念。

(3)使得我們在理論設(shè)計(jì)中又多了一種新的可靠、簡便的方法，讓計(jì)算電梯中的橡膠彈簧組變形變得輕松、高效。