特种碟簧的变形研究

2016-09-16  by:CAE仿真在线  来源:互联网

  【摘要】对一种外面包有橡胶模的特种碟簧的变形进行了研究。对特种叠合碟簧进行试验测试,将测试结果和普通碟簧的试验结果进行比较,发现了橡胶膜对碟簧变形的影响程度。用有限元软件LS-DYNA对特种碟簧的非线性变形进行数值模拟,得到特种碟簧的载荷变形关系曲线,将结果和试验值进行比较,看出这种方法计算的结果和试验值基本符合。

  【关键词】特种碟簧;ANSYS/LS-DYNA;非线性;数值模拟

  0 引言

  目前对经过特殊加工处理的特种碟簧的研究比较少,随着碟簧应用的发展,在越来越多的工作情况下,仅靠使用普通碟簧是不能满足 需要的,所以有必要对特种碟簧进行深入的研究。本文在进行试验的基础上,探索采用有限元软件进行数值计算的方法对特种碟簧的变形进行研究。LS-DYNA具有非线性显式分析功能,它适用于多重非线性和接触问题,可以用于特种碟簧的各种非线性特性,借助LS-DYNA对其变形的数值计算,得到的数值和试验数据相符。

  1 碟簧的加载试验

  用于试验的碟簧是从国际A系列中选的。尺寸为:D=315mm.d=161.6mm.h=7mm.H=25mm.t=18mm.橡胶层的厚度为1mm。对于组合碟簧,可以只考虑叠合碟簧锥面间的摩擦影响。试验时用3片碟簧组成叠合碟簧(见图1)。为了了解橡胶层对碟簧变形的影响,本实验对包橡胶膜的特种叠合碟簧进行了测试,并和普通叠合碟簧的试验结果进行对比,从而了解橡胶层对碟簧的变形有什么样的影响。

图1 试验过程示意图

  试验时,将碟簧放在压力试验机上,持续加载到卸载。为避免碟簧在安放时产生误差而影响测量值。用3个位移传感器相隔120°放置。分别对碟簧的变形测量,将测量值传给静态应变仪,最后传给计算机。经过测试,用EXCEL绘出这种有橡胶膜的特种得还的载荷-变形曲线(见图2),并和普通碟簧的载荷-变形曲线(见图3)进行比较。

图2特种碟簧的载荷变形曲线

图3 普通碟簧的载荷变形曲线

  对比两者曲线可以发现,在相同的变形量下,特种组合碟簧所需的载荷要比普通组合碟簧的载荷大15%左右。两者的加载曲线基本一致。卸载曲线有明显的差异,普通叠合碟簧的卸载曲线和加载曲线之间的滞回面积,而普通叠合碟簧的卸载曲线有明显折点。特种叠合碟簧的卸载曲线比较平滑。其主要原因是普通叠合碟簧中钢与钢接触的摩擦因数要比特种叠合碟簧中材料间的摩擦因数小很多。由于试验结果对比,很明确地了解了想橡胶膜对叠合碟簧变形的影响。

  2 LS-DYNA算法

  LS-DYNA计算结构系统各节点在第n个时间步结束时刻tn的加速度向量为:

tn的加速度向量的计算公式

  3 有限元模型与数值分析

  (1) 建模

  运用软件建模时和试验一样。用3个单片特种碟簧组合成叠合形式。模型采用三维实体单元。尺寸和试验完全一样。D=315mm.d=161.6mm.h=7mm.t=18mm.橡胶膜的厚度为1mm。橡胶膜的模型采用Blatz-Ko。计算时载荷设置为压力。作用在内圈。载荷的大小随时间变化。边界条件为下表面支承处的轴向约束。橡胶与钢板间的摩擦因数取0.72.橡胶之间的摩擦因数取0.78。由于橡胶膜紧紧包在钢板外,所以二者的接触方式为固联接触,而碟簧片有相对滑动,因此橡胶之间的接触方式为面面接触,橡胶与钢板的网格严格对应,网格划分后,模型共包括45220个单元,72460个节点,网格划分如图4。

图4 三维有限单元网格图

  (2) 计算分析

  经过计算,并用EXCEL绘制载荷-变形曲线如图5。

图5 LS-DYNA计算的载荷-变形曲线

  将图2和图5对比,可以看出二者的加载曲线没有差别,卸载曲线在卸载过程中间有一些变化,总体上二曲线的滞回面积差别不大,因此,对特种碟簧进行预选时,可以用LS-DYNA对特种碟簧变形进行计算。

  4 结语

  通过特种叠合碟簧进行试验,将测量值与普通叠合碟簧的试验值进行比较,发现特种碟簧的变形量要小于普通叠合的变形量。考虑到特种碟簧的结构特点和材料特性。用有限元软件LS-DYNA进行数值计算,得到的结果与试验值相符,因此在实际工程中,对于特种碟簧的选型,可以利用LS-DYNA计算速度快的优点,将它和试验结合起来,先用LS-DYNA进行预选,不仅节约试验的高成本而且节约时间,是一个值得采用的方法。

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