地铁车辆橡胶轴箱定位器结构分析与优化

1、地铁车辆橡胶轴箱定位器结构分析与优化王明星、黄友剑、程海涛（株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007）摘要：橡胶轴箱定位器作为地铁、轻轨车辆一系悬挂的重要减振部件，在保证车辆运行结构平稳性和曲线运行稳定性的同时，还兼有轮对导向的作用。因此产品的横向、纵向、垂向共三个方向的刚度有严格的匹配要求。因橡胶本身的高度非线性的特性，采用传统的经验公式很难对产品三向刚度进行准确预测，本文利用ABAQUS软件对橡胶轴箱定位器进行三向刚度较准确的分析预测，并实现该产品一次设计成功。关键词：橡胶轴箱定位器；结构优化；有限元分析；ABAQUSAnalysis and optimization of

2、 Metro vehicles rubber spring axle boxWANG Mingxing、HUAN Youjian、CHENG Haitao （ZhuZhou Times New Material Technology Co.,Ltd，Hunan,ZhuZhou 412007,China）Abstract: With the increase of subway lines, the quantity of subway cars has been rising. In this paper, ABAQUS software is used to make simulation

3、analysis of a series of metro vehicle axle box positioning products - rubber spring axle box structure, and also achieve a successful design through simulation analysis of the products , in the while ，free surface design of products is advanced according to product design experience.Key words: locat

4、or; structural optimization; finite element analysis; ABAQUS本构模型对某型轴箱定位器产品刚度进行0 引言： 了准确分析与预测，同时利用有限元软件对产品的自由面进行优化。与传统的采用常规橡胶轴箱定位器装配在车辆转向架上公式计算方法相比较，本文所采用的分析方的轴箱与构架之间，以轮对轴箱为固定的法对该类型产品设计具有更强指导意义。下硬基础。在构架的垂向、行车方向和横向图为该型轴箱定位器的安装照片。提供可靠的柔性定位支撑，并缓和车辆行驶过程中轮对振动、冲击对构架的影响，为二系减振提供柔性平稳的平台、以确保1车辆运行的平稳舒适。根据其使用特性，

5、橡胶轴箱定位器三个方向的刚度均有严格要求，为了使产品满足设计要求，在设计产品时需要对其三向刚度进行模拟计算。文献2给出了橡胶定位器三向刚度常规计算方法。该方法中应用的橡胶材料的本构模型为线弹性模型，而实际上橡胶材料具有超弹性，不可压缩性，大变形图1产品安装照片等特点，其本构关系应以超弹性本构模型来3表征。本文利用有限元软件并采用超弹性1 产品的刚度分析该型轴箱定位器产品三个向刚度的设计要求如表1所示。表1产品刚度设计要求垂向刚度纵向刚度 横向刚度 （kN/mm） （kN/mm） （kN/mm） 0.5±12%5.5±12%2.5±12%对于产品设计与制造传统的产品

6、流程一般为：图2 传统制造流程如采用传统的设计制造程序，只有在完成样机制造后才能获知产品刚度情况，如刚度不合格还需要重新试制。同时，由于橡胶轴箱簧产品三向刚度均要匹配，而且该种结构三向刚度之间又存在关联性，因此采用传统的设计流程需要反复多次的试制、试验。这对人力、物力均造成较大浪费。而随着大型有限元软件在中国的不断普及，利用有限元软件进行虚拟样机设计的方法也被不断的采用。采用虚拟样机方法后，新设计流程在“产品设计”与“样机制造”前增加“样机模拟”环节。通过“ 样机模拟”方法在“样机制造”前对产品结构进行有效的模拟分析与充分的论证，从而可以保证产品试制一次成功，避免反复进行试制。本文利用ABAQ

7、US软件完成橡胶轴箱簧样机刚度模拟分析。 1.1样机刚度模拟分析产品最初设计方案简图如图3所示，图 3设计方案简图在分析时对上图中H1、H2、H3及角度A四个尺寸进行了调整。并根据分析结果确定方案为方案二最终的投产方案，三种方案的尺寸值。如表2所示。表2三种方案的尺寸值方 案 H1（mm）H2（mm）H3（mm）A（°）原方案 20 20 20 3 方案122 18 18 5 方案222201881.1.1建立有限元模型利用Hyper mesh软件建立橡胶轴箱簧三维有限元模型如图4所示。图 4 有限元分析模型式中：U应变势能 Jel弹性体积比 i1、i2应变不变量图5模型局部放大图建

8、模时考虑到橡胶材料与金属隔板之间经硫化工艺粘合在一起，二者之间粘合强度足够大，因此设定橡胶与金属之间为“绑定”约束。同时为保证模型有较好的收敛性，建模时去除了外套部分的倒角（如图5）。为使模型具有更好的分析精度，该模型均采用六面体网格进行离散，模型的铁件部分采用3维8节点减缩积分单元“C3D8R”单元来模拟，橡胶部分用三维八结点杂交单元“C3D8RH”单元来模拟。考虑到橡胶为超弹性材料，模型划分单元数较多，共划分30893个单元。根据产品结构特性和产品的承载受力情况，求解垂向刚度时，可取结构的1/4模型进行分析；求解横、纵向刚度时，可以用1/2模型来分析。 1.1.2输入材料常数输入的材料常数

9、的准确性是左右分析结果正确与否的关键。对于橡胶制品的分析这一点尤其重要。因为橡胶是非线性材料。橡胶的力学性能对温度、环境、应变历史、加载速率和应变率的影响相当敏感，生产工艺和添加剂（如添加炭黑的多少和种类）对橡胶的力学性能也有重要影响4。天然橡胶材料因产品的加卸载过程耗能少，因此，可近似认为橡胶材料是超弹性材料，对于超弹性材料，不用杨氏模量和泊松比表示应力应变关系，而用应变势能（U）来表达应力应变关系。应变势能表达式如下：NNU=3)i(i12-3)j+i+åCij(i1-j=1å(jel-1)2ii=1DiDi定义材料的压缩性 CijRinvlin系数图6图8列出的肖氏硬

10、度50°左右的橡胶的实验数据与有限元软件拟合的数据的对比情况5。通过比较，分析采用与实验结果拟合较好的OGDEN(N3)模型，分析所用的材料参数结果参见表3。表3 Ogden (N=3)时的应变能密度函数拟合参数MU_I ALPHA_I D_I 1 31.962 -1.055 0.689E-04 2 55.761 -1.224 0.788E-04 324.4891.3673.264 E-04图6 单轴拉伸的拟合曲线图7 双轴拉伸的拟合曲线图8 平面剪切拟合曲线图10 横向有限元分析云图1.1.3加载，求解根据实际工况在不同的载荷步中分别施加垂向载荷、径向载荷和轴向载荷。在ABAQUS

11、软件求解器中利用波前法求解，最终得出结果。 1.1.4分析结果本产品三种方案的刚度分析结果与设计要求值如表4所示，垂、纵向刚度分析的应力图如图9所示，横向刚度应力分析云图如图10所示。表4 三种方案刚度结果对比表方 案垂向刚度（kN/mm）要求值 原方案 方案10.5±12% 0.3 0.42 0.5纵向刚度（ kN/mm） 5.5±12% 3.2 4.2横向刚度（kN/mm） 2.5±12% 1.5 1.8 2.4根据表4所列的分析结果对比情况，与原方案相比，方案2三向刚度均满足设计要求。1.2样机刚度验证根据产品有限元分析结果，采用方案2进行产品设计、制造及试

12、验验证67。产品三向刚度试验结果与方案2的计算结果的比较情况如表5所示。垂向刚度试验照片如图11所示；横、纵向刚度试验照片如图12所示。表5刚度试验与计算结果对比表方 案要求值 方案2 试验值 偏 差方案25.3垂向刚度（kN/mm） 0.5±12% 0.5 0.55 9%纵向刚度 （kN/mm） 5.5±12% 5.3 5.7 7%横向刚度（kN/mm） 2.5±12% 2.4 2.6 7.7%图9 垂、纵向有限元分析云图图11垂向刚度试验照片图12 横、纵向刚度试验照片由表5可知，有限元分析结果与试验结果相比较最大偏差为9%，说明该有限元分析结果具有很强的工程

13、指导意义。同时按照方案二试制出产品满足设计刚度要求，即通过采用有限元“样机模拟”技术实现了本产品一次开发成功。2产品的自由面设计橡胶轴箱簧的产品在使用过程中垂向挠度一般较大，如果橡胶自由面形状设计不合理，则在产品使用过程中橡胶表面易发生橡胶打折现象。打折部分会出现明显的应力集中，而且打折部分的橡胶会相互摩擦生热。自由面打折现象会加快产品的损坏。降低使用寿命。因此，设计合理的橡胶自由面形状，从而避免在垂向变形过程中橡胶表面出现打折现象也非常重要。根据我们在橡胶轴箱簧系列产品的设计经验，在对自由面设计时一般有以下几个方面需要注意。产品在自由状态下保证橡胶与金属之部的接触面一定要设计为凹面。l 保证

14、橡胶的自由表面在载荷的作用下不能成为凸面，这是防止应力集中的有效措施。 l 一般根据产品的压缩量来设计产品的自由表面的形状。 l 在设计时在橡胶中要避免锐棱和拐角的出现，而且边缘处的包胶一般要大于0.5mm。在对本橡胶轴定位器自由面进行设计时，因产品的垂向变形较大，我们利用Hyper mesh软件的强大的划分网格功能以及ABAQUS软件的非线性有限元分析功能完成自由面在整个受力过程中的变形情况模拟，最终根据有限元模拟情况完成橡胶自由面的优化设计。3 结论橡胶轴箱簧是一种高度非线性的弹性元件，在承受载荷时，其材料非线性、状态非线性、几何非线性表现的非常明显。而地铁在运行过程中，产品的垂向、横向、

15、纵向均需要受力。我们在设计橡胶轴箱簧产品时在传统的产品制造流程中加入“样机模拟”流程，并利用ABAQUS软件完成了模拟。通过加入“样机模拟”流程使得产品开发一次成功，节省了人力、物力，并缩短了产品开发周期。此外、我们总结该系列产品的设计经验提出为提高产品使用寿命需要关注“自由面设计”的设计理念，并提出可以采用Hyper mesh软件与ABAQUS软件并用的方法实现自由面的模拟设计与优化。 参考文献：1严隽耄，车辆工程(第二版)M北京：中国铁道出版社，19992易理明、王明星，轴箱像胶定位器的刚度计算（J），橡胶工业，2001，48（5）：270-276.3危银涛，杨挺青，橡胶类材料大变形本构关系及其有限元方