履帶車輛橡膠襯套有限元分析

張 磊， 盧浩博

(神華寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021000)

0 引言

履帶式車是一種適用于山地、沼澤地、沙漠地區(qū)等復(fù)雜地形的多功能特種越野車。由于工作條件惡劣，因此要求其具有較好的通過(guò)性、機(jī)動(dòng)靈活性和良好的抗震性。目前，履帶式工程車輛中支重輪和車架、主梁之間常用焊接等固定聯(lián)接方式，車輛在惡劣路面的行駛過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非常復(fù)雜的激勵(lì)，引起強(qiáng)烈振動(dòng)，無(wú)法滿足車輛平順性要求。

為解決現(xiàn)有履帶車輛存在的缺陷，可將支重輪與主梁之間的剛性連接改為采用橡膠襯套的彈性連接。橡膠襯套作為一種常用的減振元件，已被廣泛應(yīng)用于車輛的行走系統(tǒng)和底盤懸架中。隨著有限元分析技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多有限元仿真軟件如ABAQUS、ANSYS等都建立了橡膠模型，不僅簡(jiǎn)化了計(jì)算過(guò)程，提高了計(jì)算精確度，而且分析結(jié)果與試驗(yàn)值和實(shí)驗(yàn)值相近。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，Charlton等[1]驗(yàn)證了使用有限元軟件分析擬合橡膠材料特性的準(zhǔn)確性，并對(duì)超彈性理論進(jìn)行了討論和描述。Miehe等[2]建立了Mooney-Rivlin、Maxwell及Valanis的橡膠超彈性、頻率相關(guān)性和摩擦特性的有限元組合模型。Gil-Negrete等[3,4]對(duì)橡膠進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析，結(jié)果表明在準(zhǔn)靜態(tài)條件下橡膠塊的等效應(yīng)變計(jì)算誤差是影響分析結(jié)果精確性的主要因素，利用ABAQUS和最小二乘法擬合出了橡膠材料的彈性、黏彈性以及彈塑性的有限元疊加模型。潘孝勇等[5,6]在ABAQUS中建立了橡膠襯套的黏彈性-超彈-彈塑性有限元模型。

總體來(lái)說(shuō)，雖然近些年我國(guó)對(duì)橡膠材料特性研究進(jìn)展迅速，但是研究材料依然很少，需要更多的學(xué)者、機(jī)構(gòu)花費(fèi)大量的時(shí)間進(jìn)行研究，以填補(bǔ)國(guó)內(nèi)對(duì)橡膠材料特性研究的空缺。本文利用有限元技術(shù)，分析了某軍用車輛橡膠履帶行走系懸架中橡膠襯套的靜、動(dòng)力學(xué)行為特性。

1 橡膠襯套的建模

橡膠是一種彈性非常高的高分子材料，在外力作用下有著高度的變形能力，可以發(fā)生可逆形變；由于橡膠具有黏彈性的性質(zhì)，所以橡膠發(fā)生形變時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生阻力。這樣，當(dāng)外界施加載荷于橡膠元件上時(shí)，可以很快地減弱其引起的振動(dòng)。同時(shí)，橡膠在受力過(guò)程中能被看作只有形狀改變而體積幾乎無(wú)變化的不可壓縮性材料。

本次就某履帶式車減振底盤展開(kāi)研究，提取其中橡膠襯套，在SolidWorks中建立簡(jiǎn)化模型，如圖1所示。

圖1 橡膠襯套模型

本次研究根據(jù)所給參數(shù)以及查閱大量文獻(xiàn)，最終確定使用3階Ogden模型和3階Prony級(jí)數(shù)模擬橡膠材料的超彈性和黏彈性力學(xué)特性，具體參數(shù)如表1和表2所示。

表1 3階Ogden模型參數(shù)

表2 3階Prony參數(shù)

2 橡膠襯套的力學(xué)分析

2.1 靜力學(xué)分析

對(duì)橡膠襯套的靜態(tài)特性研究采用通用分析步，初始分析步中把主梁上的一些面固定，并且對(duì)主梁-軸，橡膠襯套-軸進(jìn)行Tie固定連接；在第一個(gè)分析步中給軸分別施加三個(gè)軸向位移，即X=4 mm，Y=5 mm，Z=3 mm，初始增量設(shè)為0.3 s，持續(xù)時(shí)間為1 s。分析得到的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出：橡膠襯套在X、Y、Z方向上的靜力分析最大應(yīng)力分別為1.649 N/mm2、2.117 N/mm2、0.312 3 N/mm2。其中，X、Y方向上以壓縮為主、Z方向上以拉伸為主，所得值均在合理范圍內(nèi)，故橡膠襯套在安全范圍內(nèi)。

圖2 橡膠襯套的靜力分析得到的應(yīng)力云圖

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

對(duì)橡膠襯套進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析時(shí)，使用一個(gè)顯式分析步，在該分析步中分別施加沿X、Y、Z方向上幅值為1 mm、持續(xù)時(shí)間為0.002 5 s的位移正弦激勵(lì)信號(hào)，分析得到的應(yīng)力云圖如圖3所示。

由圖3可以看出：橡膠襯套在X、Y、Z方向上的動(dòng)力分析最大應(yīng)力分別為1.618 N/mm2、1.622 N/mm2、0.386 2 N/mm2。按照本文的加載，橡膠襯套接近危險(xiǎn)工況，動(dòng)載荷顯然比靜載荷對(duì)橡膠的影響更大。

圖3 橡膠襯套的動(dòng)力分析得到的應(yīng)力云圖

3 模態(tài)分析

本次研究對(duì)橡膠襯套進(jìn)行兩種狀態(tài)下的模態(tài)分析，即橡膠襯套單獨(dú)分析和裝配體分析。這兩種狀態(tài)下其前20階振型的模態(tài)特征值和固有頻率分別如表3和表4所示。

表3 裝配體分析下橡膠襯套的模態(tài)特征值以及頻率

由表3和表4可知，裝配體分析下橡膠襯套的前20階振型的固有頻率在179.15 Hz～215.05 Hz之間，這是因?yàn)榧s束多，系統(tǒng)的剛度大，固有頻率也較大；單獨(dú)分析下橡膠襯套的前20階振型的固有頻率在0.029 Hz～0.094 Hz之間，這是由于橡膠襯套的約束面少，導(dǎo)致其剛度較小。

表4 單獨(dú)分析下的橡膠襯套的模態(tài)特征值以及頻率

4 研究展望

基于本次對(duì)橡膠襯套的研究過(guò)程，在以下幾個(gè)方面還可以進(jìn)行更深入的探索：

(1) 本論文對(duì)橡膠-主梁、橡膠-襯套進(jìn)行了Tie約束，并未細(xì)節(jié)地模擬出真實(shí)情況。若能在軟件中設(shè)置多個(gè)分析步，將橡膠襯套過(guò)盈配合到主梁中去，能夠得到更精確的結(jié)果，提高徑向剛度。

(2) 本文在對(duì)橡膠材料超彈性和黏彈性進(jìn)行設(shè)定時(shí)，沒(méi)有準(zhǔn)確地模擬出參數(shù)。若根據(jù)橡膠襯套的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出參數(shù)，結(jié)果會(huì)更加精確。

(3) 本論文對(duì)橡膠襯套進(jìn)行了靜、動(dòng)、模態(tài)分析，但對(duì)整體的剛度研究還處于探索階段。