【正文】 4mm； 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 44 頁 活塞數(shù)據(jù)： 活塞直徑 d=38mm，厚度 l=20mm，回流孔直徑 d=4mm， 回流空域與活塞的中心距 d=12mm 活塞桿實(shí)物圖 活塞實(shí)物圖 對活塞和活塞桿建模 打開 ANSYS 軟件， 新建文件并將其命名為 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁 共 44 頁 圖 （ 1）建立活塞桿模型 GUI: Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions 圖 單擊“ Apple”建立活塞桿模型。單擊 OK 按鈕，圖形窗口中顯示出 Y方向總應(yīng)變分布圖，如圖 所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁 共 44 頁 （ 1）在列表中選擇 XComponent of total strain （ X 方向總應(yīng)變）選項(xiàng)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 44 頁 圖 X軸方向應(yīng)力圖 （ 2）在列表中選擇 YComponent of stress （ Y方向應(yīng)力）選項(xiàng)，單擊 OK 按鈕，圖形窗口中顯示出 Y方向（徑向）應(yīng)力分布圖，如圖 所示。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 44 頁 圖 X軸方向變形圖 （ 2）在列表框中選擇 YComponent of displacement （ Y 向位移）選項(xiàng) , 單擊“ OK” 按鈕 ,如圖 。求解結(jié)束后關(guān)閉信息窗口。根據(jù)公式計(jì)算環(huán)向應(yīng)力為： 。然后關(guān)閉對話框。選取 Structural Solid 單元系列中的單元，如圖 所示，并按“ OK”關(guān)閉對話框。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 44 頁 圖 GUI: Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions 圖 圖 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 44 頁 圖 GUI： Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolumes 運(yùn)用布爾運(yùn)算，先選取大圓柱，單擊“ OK”，再選取小圓柱單擊“ OK”，就可得到缸體模型。在這個(gè)過程中彈性膠泥材料以較慢的速度 通過活塞的環(huán)形間隙 (或節(jié)流孔 )流回原位，實(shí)現(xiàn)緩沖器的回程動作。單出桿式的結(jié)構(gòu)形式和組合式產(chǎn)生阻尼的方式，要求本課題研究的膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)形式選擇為如圖 27 所示。 膠泥緩沖器的能量吸收率是緩沖器在一次沖擊中消耗的能量與接受的能量的比值，緩沖器吸收率的大小表示其衰減沖擊動能的能力。行程定為 50mm。因此考慮 緩沖器在設(shè)計(jì)中，沖擊速度對性能的要求要與容量、阻尼力相匹配。緩沖器的選擇需要考慮兩方面。如圖 24 所示。 圖 26雙出桿孔隙式阻尼器 膠泥材料的粘性比較高，流動性比較差，如果采用孔隙式緩沖器則相應(yīng)的結(jié)構(gòu)很大才可能允許膠泥流過。如圖 25 所示。由于我們研究的車輛緩沖器受到但方向的壓力，同時(shí)為了節(jié)省空間，我們選用但單出桿式。這 種阻尼器由于附加容 腔內(nèi)留有一定的空間 ,故其安裝的位置受到限制 (多為水平安裝 ),且加工較為復(fù)雜 ,因此不適合于大型結(jié)構(gòu)的防護(hù)。對于平動阻尼器的構(gòu)造形式選擇的范圍也很大 ,有阻尼壺式、阻尼墻式、阻尼缸式和阻尼孔式，阻尼墻式、阻尼壺式的阻尼器工作行程通常比較小，而結(jié)構(gòu)比較龐大；阻尼缸式阻尼器通常用于阻尼力比較大的單方向工作的情況，也可以通過機(jī)械裝置制作雙向阻尼器，這時(shí)的裝置容易出現(xiàn)卡死的現(xiàn)象，所以目前使用不是很多；阻尼孔式使用最為 廣泛，這類阻尼器在密閉容腔內(nèi)裝滿粘彈性流體阻尼材料，當(dāng)活塞相對缸體移動時(shí)，迫使阻尼材料流過阻尼孔產(chǎn)生阻尼 [12]。 但是適用于沖擊環(huán)境下的膠泥緩沖器與用于車輛、橋梁和地鐵等的緩沖器有所不 同，它所承受的沖擊速度較大而阻尼力較小，所以其結(jié)構(gòu)形式不可以照搬現(xiàn)有的 膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)，其具體構(gòu)造形式參考現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，根據(jù)阻尼材料和緩沖器的指 標(biāo)要求選擇。 (3)察看分析結(jié)果及檢驗(yàn)結(jié)果。由于有限元法具有精度高，適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算機(jī)格式規(guī)范等優(yōu)點(diǎn)，股在短短的 50 多年時(shí)間已經(jīng)應(yīng)用于機(jī)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(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一種重要工具。在對單元進(jìn)行分析時(shí)，首先架訂單員內(nèi)部唯一為節(jié)點(diǎn)位移的簡單函數(shù)。 FEM 的研究熱點(diǎn)目前表現(xiàn)在兩個(gè)方面：超收斂應(yīng)力計(jì)算和有限元模型修正技術(shù)。 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。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(jì) 第 5 頁 共 44 頁 生膨脹，將活塞推回到原始位置，在這個(gè)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(shí)現(xiàn)了緩沖器的回程運(yùn)作。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。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(yàn)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。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。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(diǎn)的局部受力，達(dá)到保護(hù)受力設(shè)備的目的。 研究的目的與意義 運(yùn)輸作為我國經(jīng)濟(jì)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(shí)，物資可能會受到多個(gè)方向的沖擊。后來該單位還陸續(xù)研制了用于雷達(dá)和坦克的膠泥緩沖器，取得了較好的應(yīng)用效果 [4][5]。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(diǎn)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]。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。國際鐵路聯(lián)盟 (UIC)在 1981 年制定了 UIC 526－ 1 標(biāo)準(zhǔn)，并在 1985 年進(jìn)行了修訂，規(guī)范和批準(zhǔn)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。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(diǎn)，集合了它們的 優(yōu)點(diǎn)，具有特殊的減振緩沖性能和理想的使用壽命。一般是將加有硫化劑、填充劑等配合劑的橡膠放入模具內(nèi)加熱加壓硫化成各種形狀，利用硫化橡膠的彈性來達(dá)到緩沖、減振目的。并分別對缸體和活塞活塞桿建模，然后對其進(jìn)行有限元分析，得到變形圖、應(yīng)力圖、應(yīng)變圖，分析缸體、活塞及活 塞桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可能存在的不合理的地方，對彈性膠泥緩沖器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行校核。本文 介紹了目前國內(nèi)外對膠泥緩沖器的研究和研究成果，同時(shí)介紹了國內(nèi)外市場上各種優(yōu)秀的膠泥緩沖器和緩沖餅等，接著討論了膠泥緩沖器的結(jié)構(gòu)性能，以及相比其他類型的緩沖器產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，分析了彈性膠泥緩沖器已有的結(jié)構(gòu)形式，總結(jié)了其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) ,在此基礎(chǔ)上，根據(jù)膠泥緩沖器的規(guī)格要求和膠泥材料的特性，選擇了單出桿組合式的結(jié)構(gòu)形式。目前，國內(nèi)典型的緩沖器有橡膠緩沖器、油脂潤滑的環(huán)彈簧摩擦式緩沖器、液壓緩沖器，其中，液壓緩沖器使用液壓油作為緩沖介質(zhì)，利用液壓油在外力作用下的流動摩擦生熱來吸收能量，但一直以來都存在液壓油密封問題難以解決，沒有得到廣泛應(yīng)用；金屬彈簧緩沖器是利用彈簧的剛彈性，通過彈簧摩擦吸收能量，但其自重較大 ，彈簧磨損快，使用壽命短；而橡膠作為緩沖、減振材料使用歷史悠久。為了克服這些傳統(tǒng)緩沖器的缺點(diǎn)，我們采用了一種新型緩沖器 —— 膠泥緩沖器。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(jì) 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。 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(jìn)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(dá)到了 和58 KJ。膠泥緩沖器在美國、日本、南非、澳大利亞等國鐵路部門也進(jìn)行了應(yīng)用研究。 1988 年機(jī)電部上海材料研究所受機(jī)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(gè)型號的緩沖器產(chǎn)品，其中最大的容量已達(dá)到 20 KJ，阻抗力僅 670 KN，行程僅 45 mm。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(jìn)行膠泥緩沖器方面的技術(shù)交流，上世紀(jì) 90 年代末四方所與KAMAKC 公司加強(qiáng)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(gè)型號產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)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(jìn)行轉(zhuǎn)讓，所以致使膠泥產(chǎn)品的研制開發(fā)的進(jìn)展較慢 [8]。為了解決這一難題，我們設(shè)計(jì)了新型的膠泥緩沖器。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(yàn)（ 80t 對 80t），試驗(yàn)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(hù)會比傳統(tǒng)性的緩沖餅好。 俄 羅斯鐵道部門對 KZE5C 型膠泥緩沖器進(jìn)行了初步試驗(yàn)研究。 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(jī)械結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)其減震、平衡、緩沖功能。當(dāng)彈性膠泥材料受到的預(yù)壓縮力越大和活 塞的運(yùn)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。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。有限元法的主要優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)、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。 在使用有限元方法對所要研究的連續(xù)體進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，要將研究的連續(xù)體劃分為若干個(gè)有限個(gè)大小的子區(qū)域，即有限元。 A