【正文】 各種形狀，利用硫化橡膠的彈性來達到緩沖、減振目的。硫化后的橡膠其體積是不可壓縮的；由于硫化橡膠在使用過程中受到的疲勞破壞、永久變形、老化等原因，其使用壽命也有限。再這種情況下，上述幾種緩沖器產(chǎn)品由于都存在著致命的缺點，所以都很難得到推廣。為了克服這些傳統(tǒng)緩沖器的缺點，我們采用了一種新型緩沖器 —— 膠泥緩沖器。膠泥緩沖器克服了液壓緩沖器、剛彈簧緩沖器和硫化橡膠緩沖器的缺點，集合了它們的 優(yōu)點，具有特殊的減振緩沖性能和理想的使用壽命。 彈性膠泥緩沖器國內(nèi)外的研究動態(tài) 國外對膠泥及其緩沖器的研究始于 20 世紀 60 年代 ,法國 DomangeJarret 公 司率先推出了以膠泥為主體材料的緩沖產(chǎn)品， JARRET 公司的產(chǎn)品容量（所吸收的沖擊能量）從 kJ 到 3000 kJ，行程從 1 mm 到 200 mm。并很快在建筑上、鐵路上得到應(yīng)用，如線路端或維修站的起保護作用的車擋緩沖器、車輛間連接緩沖的車鉤緩沖器等。到 80 年代初，波蘭華沙工學(xué)院試制出新型的膠泥材料，加快了膠泥緩沖器在鐵路車輛上的應(yīng)用， 波蘭的 KAMAKC 公司利用這種材料技術(shù)中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 共 44 頁 并開發(fā)出系列緩沖器產(chǎn)品應(yīng)用于鐵路車輛的緩沖。國際鐵路聯(lián)盟 (UIC)在 1981 年制定了 UIC 526－ 1 標(biāo)準，并在 1985 年進行了修訂，規(guī)范和批準了用于貨車的 A、B、 C 三級膠泥緩沖餅產(chǎn)品， A 級容量為 30 KJ， B 級容量為 50 KJ， C 級容量為70 KJ，緩沖器的行程為 105 mm。國際鐵路聯(lián)盟 (UIC)1992 年 7 月又通過了行程為 130 mm和 150 mm 的貨車用緩沖餅的生產(chǎn)，并制定了 UIC526－ 3 標(biāo)準規(guī)范。該系列標(biāo)準的制定為膠泥緩沖器更廣泛的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，推動了緩沖 器在其它車輛的上的應(yīng)用。 圖 11 貨車的彈性膠泥緩沖器 圖 12 73ZW 型彈性膠泥緩沖器 法國的 Dange－ Jarret公司為法國先進的高速列車代 TGV開發(fā)兩種型號的膠 泥緩沖器，型號分別是 BC20S－ 60B 和 L7A－ M3，其容量分別達到了 和58 KJ。德國的 ICE 高速列車也使用了膠泥緩沖器，其容量不小于 20 KJ。在俄羅斯，全俄鐵道科學(xué)院牽頭進行了膠泥緩沖器的應(yīng)用研究，并于 20 世紀 90 年代初開發(fā)了應(yīng)用于 100 t 貨車的膠泥緩沖 器，其容量達到 60 KJ，阻抗達 2020 kN，能滿足車輛 15 km/h 的調(diào)車連掛速度。全俄鐵道科學(xué)研究院與波蘭 KAMAKC 公司合作開發(fā)了用于罐車的 73ZW 型膠泥緩沖器，容量達到 70 KJ，行程 90 mm。膠泥緩沖器在美國、日本、南非、澳大利亞等國鐵路部門也進行了應(yīng)用研究。膠泥緩沖器以其容量大、阻抗低、結(jié)構(gòu)輕巧、檢修周期長以及其特殊的特性曲線特點在鐵路車輛上得到重視和推廣應(yīng)用，目前在歐洲鐵路使用的膠泥緩沖器產(chǎn)品在50 萬套以上，檢修周期一般在 10 年以上 [5]。 歐洲國家的膠泥緩沖器生產(chǎn)技術(shù)已相當(dāng)成熟 ,且膠泥緩沖器已在航空、橋梁、 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 共 44 頁 鐵路機車車輛、軍事和工程機械等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。 我國最早在上個世紀 80 年代進口的軍艦上發(fā)現(xiàn)膠泥緩沖器，用來緩和艦炮 的沖擊，后來在進口汽車上也發(fā)現(xiàn)這種膠泥緩沖器。 1988 年機電部上海材料研究所受機電部一重廠委托承擔(dān)了膠泥緩沖器這種新技術(shù)產(chǎn)品的消化吸收，并開發(fā)出了型號 52 52 307 等幾個型號的緩沖器產(chǎn)品，其中最大的容量已達到 20 KJ，阻抗力僅 670 KN，行程僅 45 mm。后來該單位還陸續(xù)研制了用于雷達和坦克的膠泥緩沖器，取得了較好的應(yīng)用效果 [4][5]。在冶金行業(yè)目前批 量使用著膠泥的緩沖器和緩沖餅產(chǎn)品，北京的冶金自動化研究院批量的生產(chǎn)用于冶金機械的各類緩沖產(chǎn)品，在膠泥緩沖器技術(shù)上有一定的積累。鐵道部從上個世紀的 80 年代末開始關(guān)注該項技術(shù)，并對該技術(shù)研究提供了專項技術(shù)資金資助， 1989 年鐵道部科技司以資助性開發(fā)課題形式下達任務(wù)，由原鐵道部四方車輛研究所承擔(dān)客車膠泥緩沖器研制。到 1994 年 10 月，四方所開始與波蘭的 KAMAKC 公司以及波蘭的華沙鐵道科學(xué)院進行膠泥緩沖器方面的技術(shù)交流，上世紀 90 年代末四方所與KAMAKC 公司加強了技術(shù)合作并成立合資公司，專門開發(fā)鐵路用車鉤緩沖器 ，推出了幾個型號產(chǎn)品進行試驗和試用，目前仍在裝車試用和效果考核中，由于核心技術(shù)仍然由外方掌握，并未進行轉(zhuǎn)讓，所以致使膠泥產(chǎn)品的研制開發(fā)的進展較慢 [8]。 研究的目的與意義 運輸作為我國經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，其中車輛的作用是必不可少的，在車輛重載時，物資可能會受到多個方向的沖擊。這些沖擊會對車輛上的物品造成一定得損失，同時也會對車輛的一定重要部件造成沖擊，使得車輛運輸中的安全問題捉襟見肘。這些都使得增強車輛的緩沖性能成為一個迫切、困難的任務(wù)。為了解決這一難題，我們設(shè)計了新型的膠泥緩沖器。而膠泥緩沖器正是一 種對速度反應(yīng)比較靈敏的設(shè)備，能夠吸收、衰減振動和沖擊的能量，從而減小結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，減弱節(jié)點的局部受力，達到保護受力設(shè)備的目的。因此，膠泥緩沖器是機械工程和空間結(jié)構(gòu)中很有應(yīng)用價值的緩沖元器件之一。所以本論文從膠泥緩沖器的工作原理和結(jié)構(gòu)開始研究，在 ANYSY 軟件平臺上對彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)進行有限元建模，并對結(jié)構(gòu)進行應(yīng)力分析，分析結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行驗證校核，進而優(yōu)化緩沖器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出更加理想的緩沖器產(chǎn)品。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 共 44 頁 彈性膠泥緩沖器 膠泥緩沖器的工作特性研究 波蘭的 KAMAKC 公司將其膠 泥緩沖餅和傳統(tǒng)性緩沖餅裝在重 80t的車輛上左沖撞試驗（ 80t 對 80t），試驗發(fā)現(xiàn)在 5～ 8 km/h 的速度下，傳統(tǒng)性的緩沖餅的行程已到極限，而彈性膠泥緩沖餅大約在 15 km/h 的速度下才到極限，顯然彈性膠泥緩沖餅對車輛的保護會比傳統(tǒng)性的緩沖餅好。修理廠的資料表明： 95％的車輛端梁破壞事故發(fā)生在裝有傳統(tǒng)性的緩沖餅的車輛上，只有 5％發(fā)生在裝有彈性膠泥緩沖餅的車輛上。并且試驗表明在 40℃和 +50℃范圍內(nèi)，彈性膠泥緩沖餅作用可靠。同時還檢驗了彈性膠泥緩沖餅的耐久性，試驗發(fā)現(xiàn)緩沖餅的接受容量至少達到容量的 80％。 俄 羅斯鐵道部門對 KZE5C 型膠泥緩沖器進行了初步試驗研究。在車輛以 不同方式?jīng)_撞，車輛上以不同方式配置膠泥緩沖器的情況下，試驗結(jié)果表明，無 論在平穩(wěn)性和吸收能量方面，還是在沖擊力和加速度的大量減小方面，彈性膠泥 緩沖器均優(yōu)于摩擦式緩沖器。 1991 年俄羅斯研制了一種膠泥緩沖器，該緩沖器 1015 年免修，總的使用壽 命 3032 年。試驗時用總重 100t 的車輛以 15 km/h 以下的速度沖撞時，車輛和其 運送的貨車均能受到保護 [5]。 膠泥緩沖器的模型 膠泥緩沖器是將具有粘彈性、流動性和體積可壓 縮性的膠泥置于密閉容器中，用一定的機械結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)其減震、平衡、緩沖功能。緩沖器采用不同的結(jié)構(gòu) 和材料，可以滿足不同的工作需要。既可以設(shè)計成粘彈型的緩沖器，也可以設(shè)計 成粘滯型的緩沖器，還可以設(shè)計成彈性緩沖器。 膠泥緩沖器工作原理是：將彈性膠泥材料裝進一個能夠承受一定壓力的緩沖器活塞缸體內(nèi)，根據(jù)實際應(yīng)用的需要增加一定的預(yù)壓縮力，當(dāng)彈性膠泥緩沖器活塞柱受到一定的壓力 (靜壓力或沖擊力 )時，活塞利用活塞缸內(nèi)節(jié)流孔或節(jié)流間隙以及彈性膠泥材料本身體積被壓縮后反作用力產(chǎn)生一定的阻抗力。當(dāng)彈性膠泥材料受到的預(yù)壓縮力越大和活 塞的運動速度越快，則產(chǎn)生的阻抗力也越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量。當(dāng)緩沖器的活塞被壓縮后，緩沖器體內(nèi)的彈性膠泥處于壓縮狀態(tài)，當(dāng)作用在活塞柱上外力撤消后，彈性膠泥的體積則會自行產(chǎn)中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 共 44 頁 生膨脹，將活塞推回到原始位置，在這個過程中彈性膠泥材料以較慢的速度通過節(jié)流孔或節(jié)流間隙流回原位，這樣就實現(xiàn)了緩沖器的回程運作。 圖 13單出桿式膠泥緩沖器 圖 14雙出桿式膠泥緩沖器 根據(jù)不同配方配制的膠泥，所具有的黏性、彈性、蠕變與松弛等特性均不同。 由于膠泥 材料的多變性，以及膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)的多樣性 (通常是單出桿和雙出桿兩種，見圖 13和圖 14)，膠泥緩沖器的工作特性就不同。單出桿式的膠泥緩沖器大多是粘彈型緩沖器，雙出桿式緩沖器多是粘滯性的緩沖器。 有限元法與 ANSYS 軟件概述 有限元方法概述 有限元法（ Finite Element Method）簡稱 FEM，作為求解數(shù)學(xué)物理問題的一種數(shù)值方法，已經(jīng)歷了 60 余年的發(fā)展。經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展， FEM 已從彈性力學(xué)平面問題、板殼問題，從靜力學(xué)問題擴展到動力學(xué)問題、穩(wěn)定問題和波動問題，從線性問 題擴展到非線性問題；從固體力學(xué)擴展到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等其他連續(xù)介質(zhì)領(lǐng)域；從物理場計算擴展到物理場的耦合計算。 它經(jīng)歷了從低級到高級、從簡單到復(fù)雜的發(fā)展過程，目前已成為工程計算的最有效的方法之一。有限元法的主要優(yōu)點為：物理概念清晰；可以從不同的水平建立對該法的理解；適應(yīng)性強、應(yīng)用范圍廣；已經(jīng)出現(xiàn)了許多大型的結(jié)構(gòu)分析通用程序，可以直接應(yīng)用。 FEM 的研究熱點目前表現(xiàn)在兩個方面：超收斂應(yīng)力計算和有限元模型修正技術(shù)。 有限元方法的實質(zhì)是用有限個單元體的組合代替連續(xù)體，化無限自由度問題為有限自由度問題；是用有限 子域的組合代替一個連續(xù)體，化連續(xù)場函數(shù)的微分方程求解問題為有限個參數(shù)的代數(shù)方程求解問題。對于大多數(shù)形狀和邊界條件復(fù)雜的工程問題，要想獲得問題的解析解答是不可能的，只能尋求各種近似的數(shù)值中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 共 44 頁 方法，而有限元方法是一種行之有效的數(shù)值分析方法。 在使用有限元方法對所要研究的連續(xù)體進行計算分析時，要將研究的連續(xù)體劃分為若干個有限個大小的子區(qū)域，即有限元。在對單元進行分析時，首先架訂單員內(nèi)部唯一為節(jié)點位移的簡單函數(shù)。建立單元節(jié)點位移和節(jié)點之間力的關(guān)系，其次將這些單元組合成為整體。引入邊界條件，通過求解整體節(jié)點力和節(jié)點位移關(guān) 系的代數(shù)方程組，最終得到連續(xù)體咋離散點處未知量的解答。 ANSYS 概述 ANSYS 軟件是大型通用有限元分析軟件。由于有限元法具有精度高，適應(yīng)性強以及計算機格式規(guī)范等優(yōu)點，股在短短的 50 多年時間已經(jīng)應(yīng)用于機械、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代機械產(chǎn)品設(shè)計中的一種重要工具。特別是隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展和軟、硬件件環(huán)境的不斷完善以及計算機及和計算機工作站的逐步普及，為 ANSYS 的推廣應(yīng)用創(chuàng)造了更為良好的條件，并展示出更為廣闊的工程應(yīng)用前景。 ANSYS 分析過程 中包含三個主要的步驟： (1)創(chuàng)建有限元模型，其中包括創(chuàng)建或讀入幾何模型、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格。 (2)施加載荷及載荷選項、設(shè)定約束條件并求解。 (3)察看分析結(jié)果及檢驗結(jié)果。具體如圖所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 共 44 頁 論文主要工作 本文主要研究的是用于某車輛的膠泥緩沖器，主要是運用有限元分析軟件ANSYS 對緩沖器的結(jié)構(gòu)進行有限元建模，并對建立的有限元模型進行應(yīng)力應(yīng)變計算，根據(jù)分析結(jié)果對緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)的計進行校核。 2. 膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)和工