橡膠粒-鋁板減震器沖擊建模仿真與優(yōu)化

高 勇，張海波

橡膠粒-鋁板減震器沖擊建模仿真與優(yōu)化

高 勇，張海波

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

橡膠粒-鋁板減震器應用于多種受瞬時沖擊較大的電池模塊減震裝置。本文通過有限元法，對自主設計的橡膠-鋁板減震器在300 g加速度沖擊、正弦衰減沖擊情況下的橡膠和鋁板損壞的計算分析與建模，對減震器進行結構優(yōu)化，并提供可行的改進參考方案。

減震器 超彈性材料

0 引言

橡膠-鋁板減震器被廣泛應用于多型特種電池減震裝置，但在實際工程應用過程中，由于電池系統(tǒng)所受沖擊較大（≥300 g），會對減震器造成永久性破壞，直接影響電池性能[1]。通過試驗驗證方式進行優(yōu)化，耗時較長，且成本高昂，故團隊擬采用建模仿真的方式，對減震器進行初步優(yōu)化設計。使用ansys workbench進行仿真，發(fā)現(xiàn)整套模型網(wǎng)格劃分復雜，計算時間過長，故在仿真軟件建模的同時，本論文采用試驗實際測量和自主有限元法建模仿真的方式進行優(yōu)化分析。

1 方法

減震器中單片減震板如圖1所示，圖中A所示黑點為橡膠粒，B所示銀色部位為鋁板,實際減震裝置由多片串聯(lián)組成。受到?jīng)_擊時，通過鋁板上大量的橡膠粒緩沖起到減震效果。

本論文中橡膠粒相關數(shù)據(jù)通過試驗測定，在仿真過程中，各時刻所需數(shù)據(jù)通過拉格朗日插值，結合實際形變計算得到，如公式（1）、（2）所示：

1.1 減震器原理模型

由于裝配體結構較為復雜，直接用ANSYS WORKBENCH建模對工作站硬件要求較高且每次運算耗時過長。故選擇借鑒彈簧振子模型（如圖2）將結構簡化。圖中橡膠粒為ki，mi為鋁板，xi為各時間步長下的橡膠形變[2]。

圖1 單片減震板示意圖

圖2 彈簧振子串聯(lián)模型

此處基于以下原因未考慮彈簧振子并聯(lián)模型：1）簡化后運用matlab仿真模型為1維模型，若考慮并聯(lián)情況，結構需改為2維，且需模擬壓力的面分布，將大幅增加運算時間；2）并聯(lián)模型彈簧的彈性總體彈性系數(shù)減小，更利于力的傳遞，使鋁板所受壓力也相應減小，仿真結果偏小，更不容易被破壞；3）串聯(lián)模型施加應力為最大加速度時產(chǎn)生的應力，即真實裝配體靠近軸線位置橡膠所受應力，如果此處橡膠未被破壞，其他位置的橡膠也不會被破壞。結合以上三點，我們認為彈簧振子串聯(lián)模型可行。

將負載加速度改為衰減波形，無阻尼自然頻率為pi/0.5，衰減系數(shù)為0.05，衰減加速度波形見圖3。

圖3 負載加速度

由于沖擊時間為1 ms，單個橡膠重量為0.3 g，故所有數(shù)據(jù)在模擬時需做無量綱化，以保證矩陣可逆。

1.2 橡膠模型

在參考模型的基礎上我們針對非線性彈性材料橡膠粒做了壓力與形變測試試驗以提高仿真精度[3]，原理如圖4所示。

圖4 橡膠壓力與形變測試原理

其實驗室壓縮測試結果如表1。

表1 橡膠壓力實測數(shù)據(jù)

將試驗數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，在剔除偏差值等步驟后，每個時間步長結束，根據(jù)橡膠的壓縮量，通過拉格朗日插值法，即公式（1），更新當前時間步長下每個橡膠的彈性系數(shù)。考慮鋁的屈服極限為90 MPa，在仿真計算時當橡膠應力大于90 MPa時，設定鋁板已被破壞。

2 結果

分別模擬70片、100片和138片減震片串聯(lián)，由圖5可看出三次模擬均從自由端開始損壞，越靠近自由端應變越大，片數(shù)越多，產(chǎn)生顯著形變的片越多。

圖5 70、100、138片減震片破損分布

圖6所示為各片數(shù)量情況下的應變，無量綱化處理后應變超過1.7則鋁板發(fā)生屈服形變。由結果可見，138片模型情況下約13片鋁板被破壞（實驗結果為10片）；100片情況下，自由端鋁板接近屈服極限；而70片情況下，無鋁板被破壞，且最大應變遠小于屈服極限1.7。所以仿真結果表明，若在中間位置加裝擋板，則可避免鋁板被破壞。

圖6 70、100、138片減震片應變分布

3 結論

根據(jù)138片減震片方案試驗室沖擊測試結果和仿真結果進行比較，結果基本一致。實測此減震方案鋁板損壞為10片，而仿真計算則為13片，故仿真結果具備定性參考價值。經(jīng)分析，當減震片數(shù)量過多時，隨著沖擊負載的波動，在減震器自由端將產(chǎn)生共振，從而破壞鋁板。故可采用減少串聯(lián)減震片數(shù)量或在數(shù)量較多的減震裝置內部增加擋板，使減震裝置分割為若干獨立串聯(lián)模塊的方式進行優(yōu)化。第二方案工程實測有效。

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The Analysis and Optimization of the Rubber Particles-Aluminum Plate Shock Absorber

Gao Yong, Zhang Haibo

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TQ336

A

1003-4862（2019）08-0020-03

2019-01-15

高勇（1980-），男，高級工程師。研究方向：化學電源。E-mail: 18907120357