弹性车轮结构刚度和强度研究

摘要

弹性车轮的弹性元件采用的橡胶材料是典型的超弹性材料，在发生大变形、大应变的情况下，应力—应变关系有着明显的非线性特征。为了得到便于程序应用的简化过程，建立超弹性材料的数学模型和基于线性粘弹性理论对应力—应变关系的近似。
　　基于某型城市轨道车辆用弹性车轮的结构，针对其在城市轨道车辆上的运行需求，对车轮的轮辋和组装部件进行了优化。通过有限元计算对比，确定橡胶弹性元件的外形结构、过盈量、材料硬度和非线性模型的计算参数。根据标准UIC810-1、UIC812-1和ISO683-1，确定弹性车轮轮辋和轮芯用钢材料的性能参数、静强度的许用应力和疲劳强度的许用应力幅。
　　利用Hypermesh软件建立有限元模型，ABAQUS软件完成弹性车轮的模态计算。分析轮辋、轮芯和车轮整体的模态，比较和研究了在不同振型模式下各部分的固有频率，相同振型模式下的固有频率的范围，以及车轮整体振型模式和固有频率与各部分零件的振型模式和固有频率的关系。根据标准UIC510-5和EN13979-1确定的标准计算载荷，通过有限元计算，得到弹性车轮的径向刚度、轴向刚度、扭转刚度和偏转刚度。分析结果指出:橡胶弹性元件的结构和材料性能对弹性车轮的刚度特性起决定性的影响。弹性车轮的各向刚度均为定值，其载荷与位移呈线性关系。
　　根据UIC510-5和EN13979-1确定的车轮强度分析的计算载荷和载荷工况，采用非线性有限元方法，计算橡胶弹性车轮的组装预应力和静强度分析结果，其指出:随着轮辋厚度的减小，轮辋内表面的应力值逐渐降低，但是由于橡胶弹性元件多余材料（过盈量）的挤压，最大应力值出现在中间“凸台”的两侧。在静强度计算载荷作用下，轮辋区域的最大应力出现在载荷作用位置对应内侧面的凸台区域。橡胶块对刚度较大的轮芯区域产生的压应力均匀连续，轮辋区域的变形经过橡胶块的吸收，使其对轮芯区域影响减小。
　　根据UIC510-5提出的多轴应力转化单轴应力的方法，编制了轮辋内表面和轮芯辐板区域疲劳强度评定的分析程序。疲劳强度计算结果指出:轮辋内表面的凸台部位的平均应力σm和应力幅σa均高于其他区域，为轮辋疲劳强度的薄弱区域。其等效应力最大的节点与等效应力幅最大的节点高度吻合。轮芯辐板内、外侧面上辐板与轮毂的连接圆弧且靠近辐板区域的平均应力σm和应力幅σa均高于其他区域，为轮芯疲劳强度的薄弱区域。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 橡胶弹性车轮的结构类型

1．2．1 压缩型弹性车轮

1．2．2 剪切型弹性车轮

1．2．3 压剪复合型弹性车轮

1．3 橡胶弹性车轮的产生及研究进展

1．3．1 降噪性能的研究

1．3．2 轮轨磨耗的研究

1．3．3 轮轨动力学研究

1．3．4 有限元仿真研究

1．3．5 使用寿命研究

1．4 本文主要研究内容与方法

第2章 橡胶弹性体的材料特性

2．1 弹性体材料特性和材料行为

2．1．1 非线性特性

2．1．2 粘滞特性

2．1．3 硬度及弹性模量

2．1．4 刚度特性

2．1．5 蠕变特性和应力松弛

2．2 橡胶弹性性能的数学描述

2．2．1 超弹性材料的数学模型

2．2．2 线性粘弹性理论

2．3 本章小结

第3章 弹性车轮结构优化与材料参数的确定

3．1 弹性车轮的结构优化

3．1．1 橡胶弹性体的结构优化

3．1．2 弹性体组装零部件的结构优化

3．1．3 弹性车轮总体及装配关系

3．2 橡胶弹性体材料参数的确定

3．2．1 橡胶材料的数学模型选择

3．2．2 橡胶材料数学模型相关参数的确定和计算

3．3 弹性车轮用钢材性能参数的确定

3．3．1 概述

3．3．2 许用应力

3．4 本章小结

第4章 弹性车轮模态与刚度研究

4．1 弹性车轮有限元模型描述

4．2 弹性车轮的模态分析

4．3 弹性车轮的刚度分析

4．3．1 径向刚度

4．3．2 轴向刚度

4．3．3 扭转刚度

4．3．4 偏转刚度

4．4 本章小结

第5章 弹性车轮强度研究

5．1 强度计算标准及载荷

5．1．1 超常运行工况下的计算载荷

5．1．2 正常运行工况下的计算载荷

5．2 弹性车轮组装预应力分析

5．3 弹性车轮静强度分析

5．3．1 超常载荷下的弹性车轮强度分析

5．3．2 正常运行载荷下的弹性车轮静强度分析

5．4 弹性车轮疲劳强度分析

5．4．1 多轴应力转化为单轴应力的方法

5．4．2 轮辋区域疲劳强度分析

5．4．3 轮芯区域疲劳强度分析

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献