一種彈性體支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證試驗(yàn)研究分析

蔡婉花

摘要：通過對彈性體剛度特性和強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種彈性體支撐機(jī)構(gòu)。該彈性體的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、重量輕且占用空間小，且準(zhǔn)確模擬了輪盤的工作邊界條件，并在此基礎(chǔ)上對彈性體的理論壽命進(jìn)行了預(yù)估。同時完成了彈性體驗(yàn)證試驗(yàn)，確定了彈性體設(shè)計(jì)合理，滿足輪盤試驗(yàn)要求。

Abstract： Based on the analysis and calculation of the stiffness characteristics and strength of the elastomer， an elastic supporting mechanism is designed. The design of the elastomer is simple in structure， light in weight and small in space， and accurately simulates the working boundary conditions of the wheel disc. On this basis， the theoretical life of the elastomer is predicted.

關(guān)鍵詞：剛度;結(jié)構(gòu);理論計(jì)算;驗(yàn)證試驗(yàn)

Key words： stiffness;structure;theoretical calculation;verification test

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0014-02

0? 引言

某輪盤形狀結(jié)構(gòu)特殊，工作時沿軸向產(chǎn)生一定的軸向位移，該變形隨工作轉(zhuǎn)速的提高逐漸增大，其他盤對該輪盤起到彈性支撐的作用。試驗(yàn)時為了模擬這一狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)一種彈性機(jī)構(gòu)，模擬彈性支撐。由于彈性體支撐結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕且占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，因此采用彈性體來模擬輪盤的所承受的彈性支撐力。為了確保試驗(yàn)時彈性體能準(zhǔn)確模擬輪盤的邊界條件，需要保證彈性體設(shè)計(jì)的合理性，并對其疲勞壽命進(jìn)行預(yù)估，從而確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

1? 彈性體設(shè)計(jì)

彈性體設(shè)計(jì)時，不僅需要考慮彈性體的剛度，還必須要保證彈性體滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

1.1 彈性體剛度特性研究? 為了分析影響彈性體剛度的主要因素，分別對凸臺數(shù)、內(nèi)外徑、彈性體壁厚對彈性體剛度的影響進(jìn)行了分析。

1.1.1 凸臺數(shù)對彈性體剛度的影響? 對某型彈性體，保持其它設(shè)計(jì)參數(shù)不變，僅增加凸臺個數(shù)，由計(jì)算結(jié)果可知，彈性體的支承剛度將隨著凸臺個數(shù)的增加而增大，如圖1所示。

嚴(yán)格來說，彈性體式支承的徑向剛度沿周向并不是均勻的。

1.1.2 彈性環(huán)寬度對彈性環(huán)剛度的影響? 隨著彈性環(huán)寬度的增大，彈性環(huán)的剛度將隨之增大，并且近似于線性變化。

1.1.3 內(nèi)外徑對彈性環(huán)剛度的影響? 在彈性體壁厚保持不變時，隨著彈性體內(nèi)外徑變大，每兩個凸臺間的距離將增大，彈性體的剛度則下降。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于試驗(yàn)件等相關(guān)因素的限制，彈性體內(nèi)外徑是不能隨意變化的，因此在彈性體剛度的設(shè)計(jì)中，一般不會通過改變內(nèi)外徑來達(dá)到剛度要求。

1.2 彈性體強(qiáng)度設(shè)計(jì)? 在彈性體的設(shè)計(jì)中，首先必須滿足彈性體的支承剛度要求，即通過改變彈性體的凸臺數(shù)和彈性體的壁厚等參數(shù)來達(dá)到要求的支承剛度。在滿足剛度要求的基礎(chǔ)上，還必須要保證彈性體系統(tǒng)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。因此需要得到彈性環(huán)工作狀態(tài)下的應(yīng)力分布以及強(qiáng)度設(shè)計(jì)的應(yīng)力考核點(diǎn)。通過對不同壁厚、凸臺個數(shù)的彈性體進(jìn)行強(qiáng)度分析。由于彈性體凸臺與支撐盤相接觸，受力分布比較復(fù)雜，因此彈性體的有限元計(jì)算模型按接觸問題處理。首先建立彈性體與其相鄰的剛性環(huán)有限元模型，并在剛性環(huán)與彈性體之間建立接觸單元。采用solid45單元建立有限元模型利用ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算（見圖2、圖3）。

通過上述計(jì)算可知，過少的凸臺數(shù)和過小的壁厚會導(dǎo)致應(yīng)力集中嚴(yán)重，使彈性體在工作中應(yīng)力幅值極大。彈性環(huán)剛度會隨著凸臺數(shù)目、壁厚的增大而增大，隨著內(nèi)外徑的增大而減小，彈性環(huán)的圓角和凸臺寬度對其剛度的影響很小，彈性環(huán)剛度會隨著圓角和凸臺寬度的增大而略有增加。由于內(nèi)外徑的尺寸受到試驗(yàn)件等因素限制，因此，在一般設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)主要通過改變彈性環(huán)的凸臺數(shù)目、彈性環(huán)的壁厚來達(dá)到要求的支承剛度。

1.3 彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過計(jì)算最終彈性體材料選用彈簧鋼50CrVA/60Si2MnA，具體材料參數(shù)為：密度為7.8×103kg/m3;彈性模量為207GPa;泊松比為0.3;極限拉伸強(qiáng)度為1275MPa（20℃）;屈服強(qiáng)度為1130MPa（20℃）。凸臺為6個，壁后為15.65mm的彈性體。具體彈性體的結(jié)構(gòu)，詳見圖4。

2? 彈性體疲勞壽命理論估算

應(yīng)變—壽命曲線描述材料的應(yīng)變與壽命之間的關(guān)系。根據(jù)描述應(yīng)變—壽命曲線的控制參數(shù)的不同，可將其分為兩種：Δε—N曲線和εeq—N曲線。

在所有的Δε—N曲線中，Manson-Coffin公式使用最為廣泛，Manson-Coffin公式的表達(dá)式為：

式中σ'f為疲勞強(qiáng)度系數(shù);ε'f為疲勞延續(xù)系數(shù);b為疲勞強(qiáng)度指數(shù)，c為疲勞延續(xù)指數(shù)。

通過彈塑性瞬態(tài)計(jì)算得到的彈性應(yīng)變幅、塑性應(yīng)變幅與疲勞壽命的對應(yīng)關(guān)系，取對數(shù)后，分別進(jìn)行一元線性回歸處理，就可以得到

總應(yīng)變幅與疲勞壽命的公式表達(dá)式為：

通過對設(shè)計(jì)的彈性體瞬態(tài)計(jì)算得到：最大循環(huán)載荷下，關(guān)注點(diǎn)的第一主應(yīng)力方向的彈性應(yīng)變?yōu)?.004704mm/mm。最小循環(huán)載荷下，關(guān)注點(diǎn)的第一主應(yīng)力方向的彈性應(yīng)變?yōu)?0.002376mm/mm。最大循環(huán)載荷下，關(guān)注點(diǎn)的第一主應(yīng)力方向的塑性應(yīng)變?yōu)?.01527mm/mm。最小循環(huán)載荷下，關(guān)注點(diǎn)的第一主應(yīng)力方向的塑性應(yīng)變?yōu)?.01231mm/mm。

通過上述計(jì)算分析可知，預(yù)估彈性體在試驗(yàn)載荷下的理論疲勞循環(huán)次數(shù)為4000多循環(huán)。

3? 彈性體驗(yàn)證試驗(yàn)

通過對輪盤的工作條件的分析、計(jì)算研究，采用彈性元件支撐機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)輪盤的工作邊界條件，從而進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。利用工藝葉片模擬輪盤所受離心載荷，同時將支撐盤與彈性體相連，對試驗(yàn)組件起到支撐作用，將彈性體的力傳遞到試驗(yàn)組件及輪盤，以模擬輪盤所承受的彈性支撐力。按照上述方案在試驗(yàn)器進(jìn)行試驗(yàn)，并在輪盤的輪緣和中心軸的軸端安裝位移傳感器，并連接好位移測量儀，開啟試驗(yàn)設(shè)備，記錄輪盤的輪緣和中心軸的初始位移值，手動調(diào)節(jié)“轉(zhuǎn)速電位計(jì)”，上升轉(zhuǎn)速至循環(huán)上限轉(zhuǎn)速，記錄輪盤輪緣及中心軸的位移值。具體記錄的輪緣及中心軸的位移差見表1。

通過上述驗(yàn)證試驗(yàn)可知，彈性體設(shè)計(jì)合理，滿足輪盤試驗(yàn)要求。

4? 結(jié)論

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：①通過對彈性體的載荷和安裝狀態(tài)進(jìn)行分析，通過多次試算，設(shè)計(jì)出滿足試驗(yàn)方案要求的彈性體，彈性體壁厚加大，彈性體剛性增強(qiáng)，且軸向力與變形量呈線性關(guān)系。②彈性體在工作載荷時最大等效應(yīng)力為1118MPa，材料的屈服強(qiáng)度為1130MPa，彈性體的最大等效應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度，且滿足試驗(yàn)要求。③在彈性環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，通過試驗(yàn)確定彈性體設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)工作順利完成提供了技術(shù)支持。

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