基于ABAQUS/FE-SAFE的動車組橡膠地板減振器疲勞壽命研究*

曾憲奎，苗 清，郝建國，焦淑莉，褚福海

(青島科技大學 機電工程學院，山東 青島 266061)

動車組橡膠地板減振器是動車組地板減振系統(tǒng)中的重要組成部分，主要起減振、隔振和降噪作用。但橡膠減振器在實際使用過程中會發(fā)生疲勞破壞，一旦疲勞破壞，其隔振、降噪及抗沖擊性能將受到直接影響，嚴重影響乘客乘坐的舒適性，因此對減振器進行疲勞壽命分析十分必要。目前對橡膠減振器的疲勞壽命研究主要以疲勞實驗方法為主，但由于影響橡膠減振器耐久性和機械疲勞的因素眾多，疲勞實驗方法費時費力、效率低、測試難度大[1]。本文將采用ABAQUS/FE-SAFE疲勞壽命預測方法[2]研究動車組橡膠地板減振器的疲勞壽命，相比實驗方法，可以大大提高效率。

1 橡膠材料本構模型及屬性

1.1 橡膠材料本構模型及S-N曲線

本文研究的動車組橡膠地板減振器由金屬和橡膠硫化而成，所以需要定義2種材料的參數(shù)。膠料采用重慶長壽化工有限公司生產(chǎn)的氯丁橡膠，邵爾A硬度為60±5；金屬采用山東華建鋁業(yè)有限公司生產(chǎn)的鋁合金6063。

大多數(shù)連續(xù)介質(zhì)力學處理橡膠彈性時，都把橡膠材料變形看成是各向同性的超彈性體均勻變形，這樣應變能密度函數(shù)可以表示成主伸長比或者變形張量的3個應變不變量的函數(shù)[3]。因此文中采用的基于不變量的連續(xù)介質(zhì)模型是橡膠材料領域中應用較為廣泛的 Mooney-Rivlin模型[4-5]，其應變能密度函數(shù)表達式如式(1)所示。

(1)

E=(15.75+2.15HA)/(100-HA)

(2)

E=6C10(1+C01/C10)

(3)

式中：E為彈性模量，MPa；HA為橡膠邵爾A硬度。

橡膠超彈本構模型的主要參數(shù)為：C10=0.501 MPa，C01=0.123 MPa，D1=0.000 1 Pa-1。

橡膠材料在利用FE-SAFE軟件進行疲勞壽命分析時需將橡膠材料的S-N曲線[6]導入材料庫中進行使用。本文減振器橡膠材料的S-N曲線由實驗數(shù)據(jù)經(jīng)Origin擬合修正得到，如圖1所示。

疲勞壽命/次圖1 橡膠材料S-N曲線

1.2 金屬材料參數(shù)及S-N曲線

橡膠地板減振器鋁合金6063的材料屬性可以通過文獻[7]得到，鋁合金6063的抗拉強度為230 MPa，屈服強度為180 MPa，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.32，S-N曲線如圖2所示。

疲勞壽命/次圖2 鋁合金6063 的S-N曲線

2 橡膠減振器有限元分析

2.1 物理模型的建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)橡膠減振器的結構，在三維軟件SOLIDWORKS中建立橡膠減振器的三維模型，其結構如圖3所示。將減振器三維模型導入ABAQUS軟件中，并對橡膠減振器結構進行網(wǎng)格劃分，使得橡膠中間部分全部為八結點線性六面體單元，雜交，恒壓力，減縮積分，沙漏控制。橡膠減振器上方支撐架和底部固定板都為八結點線性六面體單元，減縮積分，沙漏控制。橡膠減振器劃分網(wǎng)格后共有43 273個單元和53 369個節(jié)點，其中C3D8RH單元有30 075個節(jié)點，如圖4所示。

圖3 減振器三維模型圖

圖4 減振器網(wǎng)格劃分模型

2.2 減振器載荷工況分析

在ABAQUS有限元分析中所模擬的減振器載荷工況有兩種，一是壓縮0.5 mm模擬減振器空載情況下(只承受與之連接的構件壓力)的受壓狀況，求解減振器位移和應力分布；二是壓縮2.5 mm模擬滿載情況下(承受外部負載)的受壓情況，求解減振器位移和應力分布。

2.3 有限元位移及應力分析

根據(jù)橡膠地板減振器有限元分析結果，減振器鋁合金部件在垂向位移載荷0.5 mm和2.5 mm作用下的最大應力值為12 MPa，均發(fā)生在減振器上部支撐架的最上端，遠小于鋁合金6063的疲勞極限，所以在減振器的實際使用過程中鋁材部分不會產(chǎn)生疲勞破壞，應為無限壽命。減振器橡膠部分施加等效載荷模擬得到的位移云圖、應力云圖如圖5和圖6所示。

(a) 橡膠垂向壓縮0.5 mm

(b) 橡膠垂向壓縮2.5 mm圖5 減振器不同工況下的位移云圖

在減振器垂向變形時，由于橡膠具有體積不可壓縮性，減振器中的橡膠會在四周自由面積處向外膨脹。從圖5(a)可以看出，當減振器垂向變形為0.5 mm時，減振器的等效位移最大值為0.539 mm，最小值為0 mm；從圖5(b)可以看出，當減振器垂向變形為2.5 mm時，橡膠減振器中橡膠的最大位移為2.63 mm，最小位移為0 mm。最大位移均出現(xiàn)在橡膠與減振器上支架的接觸部分，最小位移均出現(xiàn)在橡膠與減振器下固定板支架處的接觸區(qū)域。

(a) 橡膠垂向壓縮0.5 mm

(b) 橡膠垂向壓縮2.5 mm圖6 減振器不同工況下的應力云圖

從圖6(a)可以看出，橡膠的等效應力最大值出現(xiàn)在橡膠外側的2個孔的內(nèi)側，最大值為0.9 MPa，最小應力出現(xiàn)在橡膠的兩側，最小值接近0 MPa；從圖6(b)可以看出，橡膠的等效應力最大值出現(xiàn)在橡膠中心圓孔內(nèi)側的紅色區(qū)域，最大值為2.199 MPa，最小應力出現(xiàn)在減振器橡膠部分四周藍色區(qū)域，最小值約為0.004 MPa。

從圖6還可以看出，橡膠中部圓孔兩側的位置應為動車組橡膠地板減振器應力集中區(qū)域。在減振器壓縮2.5 mm時，最大應力達到了2.199 MPa，這遠大于該橡膠材料的疲勞極限0.8 MPa。在減振器滿載工作時會對該部位橡膠材料造成一定的損傷，隨著減振器使用時間的延長，疲勞次數(shù)逐漸增加，損傷便會逐漸積累，最終會導致該部位發(fā)生疲勞破壞，導致橡膠地板減振器的疲勞失效，減振器的隔振、降噪及抗沖擊性能會大大降低，從而影響到乘客乘坐的舒適性。建議將減振器兩側的2個圓孔長徑減小，加大中部圓孔兩側壁的厚度，從而降低應力集中的程度，提高減振器疲勞壽命。減振器應力集中區(qū)域也與其實際使用時出現(xiàn)破壞的區(qū)域相吻合，如圖7所示，進一步驗證了減振器有限元分析結果的正確性。

圖7 橡膠減振器疲勞破壞圖

3 減振器疲勞壽命分析

FE-SAFE是一種算法先進、功能全面、世界公認疲勞分析精度最高的疲勞分析軟件，而且同ABAQUS等許多有限元軟件和后處理器都有數(shù)據(jù)接口[8]。FE-SAFE軟件支持基于有限元分析計算的疲勞仿真設計技術，利用其完整的材料庫、靈活多變的載荷譜定義方法、信號采集與分析處理功能以及豐富先進的疲勞算法，可以完整地輸出疲勞分析結果。FE-SAFE疲勞計算技術已廣泛實用于各類金屬、非金屬以及合金材料等領域。

3.1 疲勞載荷譜

動車組橡膠地板減振器在實際使用過程中主要承受垂向的交變載荷作用，但由于其疲勞載荷譜十分復雜，且獲取難度較大，本文采用與之比較相近的正弦疲勞載荷譜對橡膠減振器進行疲勞壽命分析，如圖8所示。

時間/s圖8 減振器疲勞載荷譜

3.2 疲勞分析結果

利用FE-SAFE軟件對減振器進行疲勞壽命分析，先將ABAQUS分析應力應變結果及橡膠材料的S-N曲線導入FE-SAFE軟件中，選取主應變疲勞算法，橡膠的表面粗糙度設置為不大于16 μm，然后導入減振器疲勞載荷，基于正弦疲勞載荷譜計算得到減振器疲勞失效的載荷循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命(N)的計算結果，最后將N導入到ABAQUS中，查看橡膠的lnN云圖和疲勞安全系數(shù)云圖，如圖9所示。

(a) ln N云圖

(b) 疲勞安全系數(shù)云圖圖9 疲勞分析云圖

從圖9(a)可以看出，減振器疲勞壽命最低的區(qū)域為橡膠部分靠近外側2個孔內(nèi)側面上的藍色部分，該位置的疲勞壽命為106.8=6 309 573次；減振器疲勞壽命最高的區(qū)域為橡膠部分周圍的紅色區(qū)域，該位置的最大疲勞壽命為106.954=8 994 975次，也就是說橡膠減振器從生產(chǎn)、裝車、使用直到產(chǎn)生裂紋的疲勞壽命應為6 309 573次振動。從圖9(b)可以看出，橡膠地板減振器的疲勞安全系數(shù)最低值為1.025，出現(xiàn)在橡膠部分靠近外側2個孔的內(nèi)側面上，與之前得到的橡膠疲勞壽命較低的值出現(xiàn)在同一個區(qū)域，同時可以看出，安全系數(shù)值較低的區(qū)域在整個橡膠減振器中所占的比例比較小。

綜合考慮，減振器疲勞安全系數(shù)的分布情況與疲勞壽命值的分布基本相同，橡膠減振器應力集中程度最高的區(qū)域其疲勞壽命值和安全系數(shù)均最低，即為減振器最容易發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域。

4 結 論

(1) 橡膠地板減振器中部圓孔兩側的位置為應力集中區(qū)域，最容易發(fā)生疲勞破壞。建議將減振器兩側的2個圓孔長徑減小，加大中部圓孔兩側壁的厚度，從而降低應力集中的程度，提高減振器疲勞壽命。應力集中區(qū)域與減振器實際使用時產(chǎn)生疲勞破壞的區(qū)域相同，驗證了有限元分析結果的正確性。

(2) 在橡膠地板減振器應力應變分析的基礎上，基于FE-SAFE平臺對橡膠減振器進行了疲勞壽命分析，獲得橡膠地板減振器在滿載條件下的疲勞壽命為6 309 573次，為改進動車組橡膠地板減振器結構、提高其疲勞壽命提供一定的理論基礎。

參 考 文 獻：

[1] 上官文斌，王小莉，葉必軍，等.應變比對填充天然橡膠疲勞特性影響的試驗及其壽命預測方法研究[J].機械工程學報，2013，49(8)：49-56.

[2] 劉建勛，黃友劍，劉柏兵，等.一種橡膠彈性元件疲勞壽命預測方法的研究[J].電力機車與城規(guī)車輛，2011，34(3)：12-14.

[3] 何小靜.橡膠隔振器靜態(tài)特性計算與建模方法的研究[D].廣州：華南理工大學，2012.

[4] MOONEY M.A theory of large elastic deformation[J].Journal of Applied Physics,1940,11(9)：582-592.

[5] RIVLINRS.Large elastic deformation of isotropic material IV further developments of the general theory[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1948，A241：379-397.

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[8] 姜年朝.ANSYS和ANSYS/FE-SAFE軟件的工程應用及實例[M].南京：河海大學出版社，2006：128.