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CAE/模拟仿真 |
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吊杆关节轴刚度性能分析 |
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newmaker |
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摘要：本文用非线性有限元软件ABAQUS计算了吊杆关节轴在不同工况下的载荷—位移关系曲线，为该元件的设计优化选择和工程应用提供了模拟仿真和数据支持。
1、给定条件
橡胶材料硬度为57°sha（肖氏），天然橡胶。单向拉伸压缩应力—应变曲线如图1所示。要求用ABAQUS分析元件的压缩刚度及挠度曲线、平均扭转刚度和平均扭摆刚度。这是首先要考虑橡胶与外钢圈过盈接触1.9mm后再加载的问题。
2、计算建模
利用ABAQUS建模，构造吊杆关节轴如图2所示。
图2ABAQUS计算模型的建立
3、橡胶本构关系
ABAQUS 6.1中提供了十六种橡胶材料本构模型，可以根据真实试验数据在ABAQUS/CAE中分别自动计算拟合，用户可根据需求从中选择数据吻合较好的本构模型进行计算。本题计算中采用了二阶Polynomial模型，根据图1中的数据拟合得C10=0.1699，C20=0.01197，C01=0.3629，C11=0.06863，C02=－0.04918。由于关于橡胶体积变形的试验数据厂家没有给出，计算中选取D1＝0.015（为便于比较，亦给出D1＝0.026时对应的挠度曲线）。
4、算例结果讨论
4.1、压缩刚度及挠度曲线
计算压缩刚度和挠度曲线时，外套尺寸与连杆相同的钢筒，集中力加于钢筒外壁。关节轴采用类似于简支边界条件。曲线中挠度为吊杆关节轴外壁在加载点对侧的位移值。
计算中橡胶与钢材之间的摩擦系数选为f =0.05。滑移选用有限滑移。采用了二阶Polynomial模型，橡胶材料参数为C10=0.1699，C20=0.01197，C01=0.3629，C11=0.06863，C02=－0.04918。与体积变形相关的D采取D1＝0.015， D2＝0.0。（为便于比较，亦给出D1＝0.026，D2＝0.0时对应的挠度曲线），由图中可见D数值对计算结果的影响很大。
计算采用两个step, 第一个step计算过盈配合，第二个step计算压力载荷。图3是压缩时对应的挠度曲线，图中给出了两个不同的D值对应的曲线，对于D1＝0.026，D2＝0.0情况，平均压缩刚度约为114.2KN/mm。径向载荷20KN、130KN、233KN时的分别对应的挠度为0.152mm、1.064mm、2.040mm。
图3 压缩挠度曲线
4.2、平均扭转刚度
约束条件为将钢筒外壁固定，载荷P分成两部分对称的施加于关节轴上，在关节轴的最外端面上四个角点处施加位移边界条件，此位移边界满足绕轴线扭转3度的条件。由角点处反力求扭矩。
计算中橡胶与钢材之间的摩擦系数选为f =0.05。滑移选用有限滑移。采用了二阶Polynomial模型，橡胶材料参数为C10=0.1699，C20=0.01197，C01=0.3629，C11=0.06863，C02=－0.04918。与体积变形相关的D采取D1＝0.015， D2＝0.001。计算共有三个step, 第一个step计算过盈配合，第二个step计算压力载荷，第三个step计算扭转载荷。
图4计算扭转的约束条件
图5 为扭转角对应于扭矩的曲线，平均扭转刚度约为438.6KN·m/度。
图5吊杆关节轴的扭转刚度特性
4.3、平均扭摆刚度
约束条件为将钢筒外壁固定，载荷P分成两部分对称的施加于关节轴上，在关节轴的最外端面上两条棱线上施加位移边界条件，此位移边界满足Δ/140=sin3o的条件。由棱线的反力之和计算力矩。
计算中橡胶与钢材之间的摩擦系数选为f =0.05。滑移选用有限滑移。采用了二阶Polynomial模型，橡胶材料参数为C10=0.1699，C20=0.01197，C01=0.3629，C11=0.06863，C02=－0.04918。与体积变形相关的D采取D1＝0.015，D2＝0.001。计算共有3个step, 第一个step计算过盈配合，第二个step计算压力载荷，第三个step计算扭摆载荷。图6为扭摆时转矩与转角度关系曲线，平均扭摆刚度约为7933.3KN·m/度。
图6 吊杆关节轴的扭摆刚度特性
5、结论
通过对吊杆关节轴刚度的计算可以得出如下结论：ABAQUS软件可以很好地处理橡胶材料等非线性材料的计算问题，而且也能够胜任过盈问题的求解。在过盈问题的计算中，可压缩性的影响非常重要，同时两个过盈表面之间的摩擦性质对计算结果的影响很大。
参考文献：
[1] 王勖成，邵敏著，有限单元法基本原理和数值方法，清华大学出版社
[2] 黄克智，黄永刚著，固体本构关系，清华大学出版社, 1999
[3] ABAQUS/Thoery用户手册V6.1 HKS.INC 2000
[4] ABAQUS/Standard用户手册V6.1 HKS.INC 2000(end)
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(3/14/2005) |
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