机车橡胶旁承动态特性及其动力学影响研究

摘要

橡胶弹性元件由于具有粘弹性特性、高承载能力和免维护等特点，在机车车辆悬挂中得到广泛应用，其中大多数的货运机车均采用橡胶金属叠层元件作为二系弹性支撑，称为机车的橡胶旁承。在货运机车悬挂设计中，橡胶旁承的静挠度很小，通常与大静挠度一系悬挂相配合，使机车既具有良好的线路不平顺适应能力，又具有轴重转移小的优点，橡胶旁承的三向刚度和粘弹性特性使得机车的二系设计得到简化。但由于橡胶旁承静挠度过小对机车的垂、横向平稳性均有不利影响，因此也有部分机车加大了二系旁承的静挠度，此时机车的横向、纵向位移振动幅度相应增大，同时橡胶弹性元件也具有弹塑性，因此振动幅值和频率对橡胶旁承力学性能都有一定影响，所以研究橡胶旁承受到复杂激励时的动态特性及其动力学影响有着重要的意义。本文主要研究内容有：　　(1)介绍橡胶静态和动态特性研究。静态特性研究针对橡胶的超弹性，讨论了基于应变能密度函数的唯象模型和基于分子链网络的统计模型这两类超弹模型；动态特性研究针对橡胶的粘弹性和弹塑性，讨论了具有频率依赖性的粘弹性本构模型和具有幅值依赖性的弹塑性本构模型，为选择适用于橡胶有限元仿真的本构模型提供理论依据。　　(2)选择本构模型并介绍模型参数识别方法，利用NR65橡胶材料剪切实验获取模型参数，在此基础上使用有限元软件ANSYS，建立橡胶材料模型，进行剪切仿真并验证参数准确性，再建立橡胶旁承的叠加有限元模型，仿真并计算出橡胶旁承受不同幅值和频率激励下的动态刚度。　　(3)在SIMPACK中采用了叠加力元的方法，建立能够描述幅值依赖性和频率依赖性的叠加力元，给出橡胶旁承叠加力元参数拟合方法，通过橡胶旁承不同幅值和频率激励下的动态刚度可以识别力元参数。　　(4)以某内燃机车为研究对象，分别建立了未考虑动态特性的传统动力学模型和引入了橡胶旁承动态特性的变刚度动力学模型，对比分析了两个模型中的机车非线性临界速度、平稳性、轮轴横向力、轮轨垂向力和脱轨系数等，详细分析了橡胶旁承的动态特性对机车动力学性能的影响。　　通过本文研究，得到如下主要结论有：　　(1)使用广义Maxwell粘弹模型表示粘弹性、多个滞滑弹塑模型表示弹塑性的叠加本构模型，能够较好地拟合橡胶材料的频率依赖性和幅值依赖性，通过阻尼模量识别法获得的叠加本构模型参数可以用于有限元软件。　　(2)叠加模型有限元法是通过叠加多个有限元模型并保证多个有限元模型节点共用而单元不共用的建模方法，此方法可以利用叠加本构模型参数建立模型，在此基础上建立的橡胶旁承叠加有限元模型仿真结果具有较高的准确性。　　(3)在SIMPACK中采用了叠加力元法，利用102号力元和205号力元并联可以建立能够描述幅值依赖性和频率依赖性的叠加力元，使用叠加力元参数识别方法能够较好地识别力元参数。在拟合102号力元的传递函数时，使用MATLAB工具箱拟合效果更好。　　(4)机车在直线段时，变刚度模型的橡胶旁承纵向动刚度会有一定的增大，而橡胶旁承横向动刚度会明显减小；机车在曲线段时，变刚度模型的橡胶旁承纵向动刚度和横向动刚度都会明显减小，橡胶旁承的幅值依赖性对刚度有较大的影响。　　(5)在直线工况，变刚度模型的横向平稳性优于传统模型的横向平稳性；在曲线工况，变刚度模型的轮轴横向力、轮轨垂向力和脱轨系数均小于传统模型，这都是由于纵向和横向动刚度减小造成的，说明橡胶旁承的幅值依赖性对机车的动力学性能有较大的影响，变刚度模型动力学性能优于传统模型。

目录

声明

第1章绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 橡胶元件在机车车辆悬挂中的应用

1.2.1 一系悬挂

1.2.2 二系悬挂

1.2.3 其他元件

1.3 橡胶材料基本特性

1.3.1 Mullins 效应和Pany效应

1.3.2 频率和幅值依赖性

1.3.3 蠕变和应力松弛

1.3.4 温度依赖性

1.4 橡胶本构模型研究现状

1.4.1 静态特性研究

1.4.2 动态特性研究

1.5 本构模型在轨道车辆的运用

1.6 本文的主要工作及技术路线

1.6.1 本文的主要工作

1.6.2 技术路线

第2章橡胶本构模型

2.1 橡胶静态特性研究

2.1.2 超弹本构模型基础理论

2.1.2 基于应变能密度函数的唯象模型

2.1.3 基于分子链网络的统计模型

2.2 动态特性的研究

2.2.1 橡胶粘弹模型

2.2.2 橡胶弹塑模型

2.2.3 橡胶粘弹塑模型

2.3 本章小结

第3章有限元模型建立及仿真分析

3.1 粘弹塑本构模型选取

3.2 粘弹塑本构模型参数识别原理

3.2.1 基本定义

3.2.2 阻尼模量识别法

3.2.3 时间步长识别法

3.3 叠加有限元模型参数识别及优化验证

3.3.1 识别和优化

3.3.2 有限元参数验证

3.4 橡胶旁承动态特性分析

3.4.1 叠加有限元模型建立

3.4.2 叠加有限元仿真分析

3.5 本章小结

第4章叠加力元建立及参数识别

4.1 力元介绍

4.1.1 力元使用范围

4.1.2 力元工作原理

4.2 叠加力元参数识别方法

4.2.1 叠加力元模型

4.2.2 参数识别方法

4.3 叠加力元参数识别

4.3.1 205 号力元参数识别

4.3.2 102 号力元传递函数拟合

4.3.3 力元输入

4.4 本章小结

第 5章旁承动态特性对机车动力学性能影响分析

5.1 机车动力学模型

5.2 机车稳定性分析

5.3 橡胶旁承变形分析

5.3.1 轨道不平顺

5.3.2 直线工况橡胶旁承变形分析

5.3.3 R300 曲线工况橡胶旁承变形分析

5.4 橡胶旁承刚度变化对机车动力学影响

5.4.1 直线工况橡胶旁承刚度对机车动力学影响

5.4.2 R300 曲线工况橡胶旁承刚度对机车动力学影响

5.5 直线平稳性分析

5.6 R300曲线安全性分析

5.6.1 轮轴横向力

5.6.2 轮轨垂向力

5.6.3 脱轨系数

5.7 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位其间发表论文及科研成果

学位论文数据集