利用MSC.Marc分析氣囊結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈簧特性的影響

2013-06-04  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

利用非線性有限元軟件Marc的加強筋模型和空腔結(jié)構(gòu)模型,研究了帶有增強簾線層的空氣彈簧橡膠氣囊的垂向剛度特性,通過對空氣彈簧氣囊的加載過程的模擬分析,得出氣囊各結(jié)構(gòu)參數(shù)對其垂向拉伸壓縮特性的相關(guān)影響,為空氣彈簧聯(lián)軸器的設(shè)計研究提供了有效可行的手段。

馬永明 冀相安 傅順軍 易小冬 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:CAE MSC Marc 船舶 空氣彈簧氣囊 垂向剛度特性 有限元

1 概述
空氣彈簧聯(lián)軸器是應(yīng)用于某些大型艦船中的一種重要的軸系傳動設(shè)備,具有傳遞主機功率、補償軸系軸線偏移、調(diào)節(jié)軸系振動特性的優(yōu)良功能,空氣彈簧聯(lián)軸器主要由主動空氣彈簧、從動空氣彈簧及相應(yīng)的主從動連接部件等構(gòu)成(圖1),其中主動彈簧座固連在主動鼓部件上,從動彈簧座固連在從動部件上。
    空氣彈簧是空氣彈簧聯(lián)軸器的主要彈性元件,數(shù)只空氣彈簧沿圓周方向均勻分布,并與相應(yīng)的空氣彈簧座固連,主動彈簧與從動彈簧的結(jié)構(gòu)完全相同,主動彈簧、從動彈簧各自相互連通。
    空氣彈簧聯(lián)軸器在投入工作前,須保證空氣彈簧處于充氣狀態(tài),其初始充氣壓力一般在1.0MPa左右,當(dāng)聯(lián)軸器空載時,各空氣彈簧保持初始充氣壓力,構(gòu)成平衡狀態(tài);當(dāng)扭矩負(fù)載作用于聯(lián)軸器上時,主動彈簧的氣囊受壓縮作用,其容積減小、內(nèi)壓增大,而從動彈簧的氣囊因受拉伸使其容積增大、內(nèi)壓降低,正是這種主從動彈簧氣囊間的壓力差作用,實現(xiàn)了聯(lián)軸器對扭矩負(fù)載的傳遞。

圖1 空氣彈簧聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

空氣彈簧由氣囊和內(nèi)囊組成,內(nèi)囊裝在氣囊的內(nèi)部,氣囊一般為雙曲囊式結(jié)構(gòu),由橡膠和增強材料(簾線)組合制成,內(nèi)囊由純橡膠制成。主要起密封作用,空氣彈簧的負(fù)載主要由氣囊承受,氣囊的特性直接決定了空氣彈簧的性能。一般僅取空氣彈簧的氣囊作為分析研究對象,空氣彈簧氣囊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 空氣彈簧氣囊結(jié)構(gòu)

空氣彈簧的氣囊是由交叉布置的多層簾線及橡膠層組合而成,是一種典型的層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu),其基體橡膠是大變形材料,而增強材料是小變形的簾線材料。簾線體積含量雖小,卻承受了絕大部分的載荷,是空氣彈簧氣囊的主要承載部件。由于橡膠基體與增強簾線的物理性能相差很大,其工作狀態(tài)下的力學(xué)行為十分復(fù)雜。對空氣彈簧氣囊進(jìn)行有限元分析是一項比較困難的工作,主要難點包括:
1)材料非線性:空氣彈簧氣囊是由基體材料(橡膠)和增強材料(簾線)組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體,兩種材料的力學(xué)性能差別極大。橡膠材料是一種不可壓縮的非線性超彈性材料,而簾線在橡膠基體中按一定的角度布置,呈現(xiàn)各向異性的特點。因此,橡膠一簾線復(fù)合材料呈現(xiàn)復(fù)雜的各項異性和非線性;
2)幾何非線性:空氣彈簧氣囊在工作狀態(tài)下呈大變形特征,其位移和變形關(guān)系超出線性理論范疇,屬幾何非線性問題;
3)接觸非線性:空氣彈簧氣囊在受力作用下,氣囊與兩端鋼板法蘭之間因接觸而發(fā)生相互作用。接觸是邊晃條件高度非線性的問題;
4)密閉空腔結(jié)構(gòu):氣囊充氣后,空腔內(nèi)氣體質(zhì)量不變,當(dāng)計入空腔體積與空腔壓力的變化關(guān)系后,計算過程將比較復(fù)雜。
目前橡膠一簾線復(fù)合材料的有限元模型主要有下述兩種:
1)層合殼模型:其理論基礎(chǔ)是纖維增強的復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)理論。復(fù)合材料的各組成部分在同一單元中或同一層內(nèi)的性質(zhì)用平均值代替,可用正交各向異性或一般各向異性來描述。該模型的優(yōu)點是概念清晰,但由于應(yīng)用了平均值,而且各層材料的正交各向異性材料參數(shù)通常是通過簡單的混合公式得到,復(fù)合材料中的橡膠基體和簾線只能模擬成線彈性材料,沒有充分考慮橡膠的非線性以及簾線的自身特性,這些將影響計算結(jié)果的精度,難于明了基體和簾線各自的變形和應(yīng)力情況。
2)加強筋模型:加強筋模型(Rebar)是將增強材料和基體材料分別用加強筋單元和實體單元來表示,即在基體單元中包括一層或更多層不同方向的增強簾布,如圖3所示?；w單元和加強筋單元用的是相同的節(jié)點,用加強筋單元模擬增強簾布層,沒有引入附加的自由度。加強筋單元可以用來描述加強筋的小應(yīng)變和大應(yīng)變狀態(tài),任何材料性質(zhì)都可以用到加強筋單元上。利用加強筋模型,可以將基體和加強筋分別用不同的本構(gòu)關(guān)系描述,且基體和加強筋的應(yīng)力狀態(tài)可以分別得到。因此加強筋模型對于簾線。橡膠復(fù)合材料的幾何和物理非線性分析非常有效。

圖3 用加強筋單元模擬增強簾線層

運用加強筋模型技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)置加強筋單元的相關(guān)參數(shù),即各層加強筋的材料性質(zhì)、加強筋層的參考面(邊)、加強筋方向的參考軸、加強筋偏離參考軸的角度、加強筋層的相對位置、單根加強筋的橫截面積、單位長度加強筋的根數(shù)等。
本文利用MSC.Marc軟件建立了空氣彈簧氣囊的有限元模型。模型中考慮了橡膠材料的非線性和不可壓縮性、簾線一橡膠復(fù)合材料的各向異性、空氣彈簧氣囊大變形導(dǎo)致的幾何非線性以及空氣彈簧氣囊與鋼板法蘭的接觸非線性邊界條件。利用MSC。Marc軟件中的加強筋模型來模擬氣囊中的多層簾線一橡膠復(fù)合材料,借助Rebar模型可以直接在前處理中定義氣囊中隨位置變化的簾線的鋪設(shè)方向,并且可以真實地模擬簾線一橡膠復(fù)合材料的幾何和材料非線性。
如前所述,空氣彈簧是以壓縮空氣作為介質(zhì)來實現(xiàn)彈性作用的一種非金屬彈簧,氣囊內(nèi)腔壓力隨內(nèi)腔體積之間的變化關(guān)系直接反映著空氣彈簧的剛度特性。若運用其他分析工具,無法全面計算內(nèi)腔壓力隨內(nèi)腔體積之間的變化關(guān)系,只能把氣囊內(nèi)壓力視為定壓加載處理。可以利用MSC.Marc空腔結(jié)構(gòu)模型(Cavity)真實模擬了空腔體積與空腔內(nèi)壓的變化關(guān)系。當(dāng)空腔體積變化時,MSC.Marc可以通過更新空腔內(nèi)部壓力來模擬空腔內(nèi)部的密閉特性。
    本文利用Rebar加強筋模型和Cavity空腔結(jié)構(gòu)模型對空氣彈簧氣囊的加載過程進(jìn)行模擬分析,對空氣彈簧氣囊的充氣過程和垂向特性進(jìn)行了仿真。需要說明的是,作為聯(lián)軸器彈性元件的空氣彈簧氣囊,其垂向剛度特性與橫向剛度特性對空氣彈簧聯(lián)軸器的主要性能均有重要影響,并且橫向剛度特性的影響還要重要一些。關(guān)于我們對空氣彈簧氣囊的橫向特性分析,將另文加以介紹。

2 空氣彈簧氣囊有限元模型建立
由于空氣彈簧氣囊的軸對稱性以及垂向負(fù)載的對稱性,可建立氣囊的軸對稱分析模型。當(dāng)進(jìn)一步做橫向特性分析、需要氣囊的三維模型時,可通過對二維軸對稱模型及分析結(jié)果的旋轉(zhuǎn)而生成。因此,對空氣彈簧氣囊的充氣、垂向特性分析可由二維軸對稱分析完成。二維軸對稱模型可以進(jìn)一步擴展到三維模型,并可將軸對稱分析結(jié)果利用AXIT03D模型定義選項從軸對稱轉(zhuǎn)換到三維(除網(wǎng)格擴展外,載荷和邊界條件也擴展),以完成氣囊的橫向特性分析。
可以利用Marc與AutoCAD間的良好接口關(guān)系,先在AutoCAD繪制出氣囊的詳細(xì)結(jié)構(gòu),而后直接調(diào)用到Marc中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。
圖4為空氣彈簧氣囊的二維軸對稱模型,其處于自由高度狀態(tài),共有單元1022個,節(jié)點932個。特別指出的是,在簾線一橡膠復(fù)合材料模型中,相同的空間位置有兩份單元(具有相同節(jié)點),一份單元代表橡膠基體,為普通軸對稱單元(采用Herrman不可壓縮單元);另一份單元代表增強簾線,為Rebar單元。Rebar單元具有單向剛度的單元形式,是處理帶有加強筋的復(fù)合材料的理想單元。
    基體橡膠材料用Mooney—Rivlin型的非線性彈性材料模型來描述,鋼絲圈用鋼的材料特性。簾線層共有兩層加強筋單元,每層加強筋單元中鋪設(shè)兩層簾線。加強筋單元的定義如圖5所示。采用Rebar單元可方便地設(shè)定各層簾線相對位置、簾線排列密度、簾線截面積、簾線方向角以及簾線彈性模量等參數(shù)。Marc根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)自動生成的的簾線層如圖6所示。

圖4 二維軸對稱模型網(wǎng)格劃分及單元類型

圖5 簾線層材料的定義

圖6 Marc自動生成的Rebar層

利用Marc中的空腔單元Cavity可以通過方便地施加Mass和Pressure載荷(模擬氣體及其壓力變化)。同時在模型中充分考慮空氣彈簧氣囊與兩端法蘭之間的接觸邊界條件,將兩端鋼板法蘭定義為剛性體,氣囊的本體定義為變形體,其相互接觸關(guān)系通過Contact表加以定義。
計算模型先后施加以下二種載荷:1)2D模型下的充氣:施加在空氣彈簧氣囊的內(nèi)表面,氣囊內(nèi)部用Cavity模型模擬?？涨粴怏w視為理想氣體;2)2D模型下空氣彈簧的軸向壓縮(拉伸)位移:通過剛體支座來定義。
為了分析簾線材料、簾線層數(shù)、簾線角度、簾線密度、氣囊初始內(nèi)壓等對空氣彈簧垂向剛度特性的影響,可以方便地修改模型中的相關(guān)參數(shù),分別對不同的參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬以得出相應(yīng)的分析結(jié)果。
利用Marc后處理相關(guān)功能,可以顯示氣囊各層簾線應(yīng)力分布情況、氣囊內(nèi)壓力隨垂向位移變化曲線、空腔體積隨垂向位移變化曲線、端頭鋼板法蘭反力與垂向位移之間的變化曲線等。
3 各個參數(shù)對空氣彈簧氣囊垂向特性的影響
3.1 不同簾線角度、簾線密度對空氣彈簧氣囊垂向特性的影響
增強簾線層作為氣囊的主要承載部件,其簾線角和簾線密度對氣囊的彈性特性有一定影響。分析研究表明,空氣彈簧氣囊的垂向剛度將隨簾線角的增大而增大。而簾線密度對空氣彈簧垂向剛度影響很小。需要注意的是,在考慮簾線角、簾線密度對氣囊垂向剛度影響時,還須考慮對氣囊強度及橫向剛度的影響。氣囊的橫向剛度將隨著簾線角的增大而增大,簾線角為45°時的橫向剛度近似為直線。
由于制造工藝的需要,實際中一般將簾線角設(shè)計為45°比較方便于操作。在市場采購中,可供選擇的標(biāo)準(zhǔn)簾子布的簾線密度也僅是有限的幾種。
因此,從實際應(yīng)用角度看,通過調(diào)整簾線角度、簾線密度來改善氣囊垂向特性的途徑是非常有限的。

3.2 不同簾線材料、簾線層數(shù)對空氣彈簧氣囊垂向剛度特性的影響
根據(jù)實際工作的需要,我們選用了錦綸簾線1870dtex/2和芳綸簾線1670dtex/2作為氣囊的增強材料,因芳綸簾線的扯斷強度明顯高于錦綸簾線,設(shè)定芳綸簾線為4層、錦綸簾線為6層。同時將初始充氣壓力分別設(shè)定為1.0MPa、1.2MPa、1.4MPa。分析簾線材料、簾線層數(shù)、初始充氣壓力對空氣彈簧氣囊垂向剛度特性的影響。利用Marc進(jìn)行計算的結(jié)果如圖7所示,其中位移坐標(biāo)軸的左側(cè)負(fù)值表示氣囊處于壓縮過程,右側(cè)正值表示氣囊處于拉伸過程。

圖7 簾線材料不同、層數(shù)不同、初始充氣壓力不同時空氣彈簧氣囊的垂向剛度特性

由圖7表明,在初始充氣壓力相同的條件下,簾線層數(shù)、簾線材料特性對空氣彈簧氣囊的垂向剛度特性沒有明顯影響,即不同材料、不同層數(shù)的氣囊的垂向剛度特性基本相同。但需要指出的是,簾線層數(shù)、簾線材料特性對空氣彈簧氣囊的橫向剛度特性影響較大,對簾線層受到的最大應(yīng)力值影響顯著,這是非常容易想見的。
3.3 不同初始充氣壓力對空氣彈簧氣囊垂向剛度特性的影響
由圖7可見,在不同的初始充氣壓力下,空氣彈簧氣囊的垂向剛度特性變化極為顯著,隨著初始充氣壓力的提高,氣囊的垂向剛度顯著增大。
通過圖7還可見到,在初始設(shè)計(安裝)位置附近,空氣彈簧氣囊的垂向剛度達(dá)到最小值,當(dāng)偏離初始位置越遠(yuǎn)時,其垂向剛度越大。
    作為聯(lián)軸器彈性元件使用的空氣彈簧氣囊,不僅需要其具有較低的垂向剛度和橫向剛度,而且需要有良好的承載耐壓能力。從這個角度出發(fā),減少簾線層數(shù)似為一條有效可行之路,但若要減少簾線層數(shù)。必須提高簾線材料的承載能力以保證聯(lián)軸器能夠承擔(dān)規(guī)定的扭矩負(fù)載,提高簾線材料的承載能力則意味著簾線材料要有較高的彈性模量。而增大簾線材料的彈性模量,與降低氣囊的垂向剛度和橫向剛度要求是相互矛盾的。因此,為同時實現(xiàn)氣囊低剛度、高承載能力的要求,需要開展大量的優(yōu)化分析工作。
3.4 空氣彈簧氣囊的可變?nèi)莘e對其垂向剛度具有至關(guān)重要的影響
利用Mare后處理的History Path功能,可以觀察到氣囊有效半徑、氣囊內(nèi)壓力等隨著垂向拉伸、壓縮運動時的變化情況,結(jié)果見圖8。

圖8 氣囊有效半徑、氣囊內(nèi)壓力的變化情況

    由圖8可見,對于簾線材料不同、層數(shù)不同的空氣彈簧氣囊,其內(nèi)壓力基本僅隨著垂向位移而變化,與簾線的層數(shù)、材料等關(guān)系不大.同樣,氣囊簾線的材料不同、層數(shù)不同時,其有效半徑主要隨著垂向位移變化而變化;尤其是對于芳綸材質(zhì)的簾線,簾線層數(shù)不同、初始充氣壓力不同時,氣囊壓力的變化基本相同,這主要是芳綸簾線的彈性模量較大、負(fù)載變形較小的結(jié)果。結(jié)果表明,空氣彈簧氣囊簾線的相關(guān)參數(shù)對其有效半徑的影響很小。
    如前所述,作為彈性元件的主從動氣囊,相互之間的壓力差大小決定了聯(lián)軸器能夠傳遞扭矩負(fù)載的大小。僅從空氣彈簧聯(lián)軸器承受扭矩負(fù)載特性看,承載大小主要取決于主從動氣囊的垂向特性。而表征氣囊垂向性能的參數(shù)主要是內(nèi)壓力、有效半徑及垂向高度(拉伸壓縮行程),有效半徑及垂向高度的數(shù)值決定著空氣彈簧可變?nèi)莘e的大小。由于氣囊簾線的相關(guān)參數(shù)對其內(nèi)壓力的變化、有效半徑的變化的影響很有限,即對垂向特性的影響有限,空氣彈簧氣囊的垂向剛度特性主要取決于內(nèi)壓力及可變?nèi)莘e這兩大因素,這種特性在壓縮階段表現(xiàn)尤其明顯。
    通過分析可知,儀從垂向剛度特性看,空氣彈簧氣囊的垂向剛度主要受到氣囊可變?nèi)莘e及內(nèi)壓力的影響,簾線的相關(guān)參數(shù)對垂向剛度的影響較小。因此,要降低空氣彈簧氣囊的垂向剛度并同時提高其承載能力,在結(jié)構(gòu)空間允許的條件下,增大氣囊的可變?nèi)莘e(包括增大有效半徑、增大工作高度、增大曲囊半徑等)是一條可行有效的技術(shù)途徑。
4 結(jié)論
    1)通過氣囊在垂向拉伸、壓縮過程的內(nèi)壓力及有效半徑的變化特性表明,簾線結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣彈簧氣囊的垂向剛度特性的影響較小?？諝鈴椈蓺饽业拇瓜騽偠忍匦灾饕Q于內(nèi)壓力及可變?nèi)莘e這兩大因素。這是過去的經(jīng)驗公式已經(jīng)體現(xiàn)了的。過去在進(jìn)行空氣彈簧聯(lián)軸器設(shè)計時,主要也是依據(jù)這類經(jīng)驗公式;
    2)空氣彈簧氣囊的內(nèi)壓力對垂向剛度的影響很大,內(nèi)壓力越高,垂向剛度越大;
    3)利用Marc的加強筋模型和空腔結(jié)構(gòu)模型可以對空氣彈簧氣囊的加載過程進(jìn)行真實的模擬分析,以得出氣囊在垂向拉伸壓縮過程中的相關(guān)特性,為空氣彈簧聯(lián)軸器的設(shè)計研究提供了有效可行的手段。

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