多轴载荷下橡胶球铰的疲劳优化方法的研究

摘要

随着我国经济水平的快速发展，人们对出行工具的性能的要求越来越高，这就使得橡胶弹性元件在汽车、轨道车辆等行业的使用越来越普遍。橡胶球铰是转向架中常见的减振元件之一，在实际运行工况中受多轴载荷的作用，容易产生疲劳破坏，因此，准确了解其承载特性和疲劳破坏原因至关重要。常用的橡胶疲劳寿命预测的方法有两种:裂纹形核法和裂纹扩展法，前者主要考虑裂纹萌生阶段，而后者主要考虑裂纹形成直至破坏的阶段。本文以橡胶结构的有限元分析中的应变作为输入，结合其裂纹扩展疲劳试验，以开裂能作为基础进行疲劳寿命预测。主要工作如下:
　　(1)本文介绍了橡胶疲劳破坏的机理和影响橡胶疲劳的主要因素。橡胶材料具有大变形、超弹性、不可压缩和变形可恢复性等优点，在工业中得到广泛应用，但橡胶材料的疲劳破坏的研究并未形成较成熟的理论。本文介绍了国内外多轴载荷下橡胶疲劳寿命预测的经典方法，并进行了对比。
　　(2)本文基于开裂能理论，使用Abaqus& Endurica方法预测多轴载荷下橡胶的疲劳寿命，并对预测方法进行介绍。该方法不仅能准确预测出橡胶材料的疲劳寿命，而且对橡胶产品可能出现裂纹的区域进行预测，具有临界面特性。
　　(3)本文利用Isight优化软件集成ABAQUS软件开展仿真优化，对三种橡胶胶料进行了优化设计发现，橡胶体的性能与胶料配方、生产工艺等密切相关。随着胶料硬度的增加，在要求的静刚度数值区间约束下，橡胶体上、下面的凹陷程度越来越深，橡胶体侧面的突出越来越缓。
　　(4)本文提出一种结合开裂能疲劳寿命预测和橡胶球铰的疲劳优化分析方法，能有效预测橡胶本体的疲劳寿命并进行了优化，为橡胶元件的结构设计提供了有效的指导。
　　本文实现了橡胶球铰的理论优化和疲劳预测，为橡胶弹性元件的结构开发提供了思路。本文的仿真优化方法缩短了橡胶球铰的开发周期，在实际工程中减少了其试验次数和费用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 橡胶疲劳破坏机理

1．3 橡胶疲劳寿命的影响因素

1．3．1 环境因素

1．3．2 本构行为

1．3．3 橡胶配方

1．3．4 载荷因素

1．4 国内外橡胶疲劳研究现状

1．4．1 S-N曲线法

1．4．2 裂纹形核法

1．4．3 裂纹扩展法

1．5 课题研究目的、意义及内容

1．5．1 课题研究目的、意义

1．5．2 研究内容

第2章 橡胶多轴疲劳寿命分析方法

2．1 等效应变法

2．2 等效应力法

2．3 临界面法

2．3．1 CCPA模型

2．3．2 SWT模型

2．3．3 CXH模型

2．4 能量法

2．4．1 应变能密度

2．4．2 开裂能密度

2．5 开裂能法分析

2．5．1 裂纹扩展模型及理论

2．5．2 开裂能的计算理论

2．5．3 小应变和线弹性条件下Wc的计算

2．5．4 有限应变非线弹性条件下Wc的计算

2．6 橡胶材料疲劳分析方法对比

2．7 本章小结

第3章 橡胶材料疲劳参数的获取

3．1 常用橡胶材料的本构模型

3．2 撕裂强度测试

3．3 裂纹扩展试验

3．3．1 应变松弛状态R=0时裂纹扩展测试

3．3．2 应变松弛状态R≠0时裂纹扩展测试

3．4 疲劳参数的获取

3．5 本章小结

第4章 橡胶球铰疲劳寿命分析

4．1 橡胶球铰原始结构和存在的问题

4．2 原始结构的有限元分析和疲劳分析

4．3 本章小结

第5章 橡胶球铰的结构优化分析

5．1 极限载荷有限元分析

5．2 优化分析

5．2．1 控制体建立和参数设定

5．2．2 球铰胶料优化

5．2．3 优化分析对比

5．3 优化后球铰的有限元分析

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果