【正文】 4mm； 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 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 活塞桿實物圖 活塞實物圖 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 2020 屆畢業(yè)設計 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方向總應變分布圖，如圖 所示。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 第 24 頁 共 44 頁 （ 1）在列表中選擇 XComponent of total strain （ X 方向總應變）選項。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 第 22 頁 共 44 頁 圖 X軸方向應力圖 （ 2）在列表中選擇 YComponent of stress （ Y方向應力）選項，單擊 OK 按鈕，圖形窗口中顯示出 Y方向（徑向）應力分布圖，如圖 所示。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 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 , 單擊“ OK” 按鈕 ,如圖 。求解結束后關閉信息窗口。根據(jù)公式計算環(huán)向應力為： 。然后關閉對話框。選取 Structural Solid 單元系列中的單元，如圖 所示，并按“ OK”關閉對話框。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 第 14 頁 共 44 頁 圖 GUI: Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions 圖 圖 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 第 15 頁 共 44 頁 圖 GUI： Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolumes 運用布爾運算，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，實現(xiàn)緩沖器的回程動作。單出桿式的結構形式和組合式產生阻尼的方式，要求本課題研究的膠泥緩沖器的結構形式選擇為如圖 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 緩沖器在設計中，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的結構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 ),且加工較為復雜 ,因此不適合于大型結構的防護。對于平動阻尼器的構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，而結構比較龐大；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，也可以通過機械裝置制作雙向阻尼器，這時的裝置容易出現(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裝滿粘彈性流體阻尼材料，當活塞相對缸體移動時，迫使阻尼材料流過阻尼孔產生阻尼 [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，所以其結構形式不可以照搬現(xiàn)有的 膠泥緩沖器結構，其具體構造形式參考現(xiàn)有的結構，根據(jù)阻尼材料和緩沖器的指 標要求選擇。 (3)察看分析結果及檢驗結果。由于有限元法具有精度高，適應性強以及計算機格式規(guī)范等優(yōu)點，股在短短的 50 多年時間已經應用于機械、汽車、船舶、土木、核工程及海洋工程等許多領域，已成為現(xiàn)代機械產品設計中的一種重要工具。在對單元進行分析時，首先架訂單員內部唯一為節(jié)點位移的簡單函數(shù)。 FEM 的研究熱點目前表現(xiàn)在兩個方面：超收斂應力計算和有限元模型修正技術。 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)學物理問題的一種數(shù)值方法，已經歷了 60 余年的發(fā)展。當緩沖器的活塞被壓縮后，緩沖器體內的彈性膠泥處于壓縮狀態(tài)，當作用在活塞柱上外力撤消后，彈性膠泥的體積則會自行產中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 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。緩沖器采用不同的結構 和材料，可以滿足不同的工作需要。在車輛以 不同方式沖撞，車輛上以不同方式配置膠泥緩沖器的情況下，試驗結果表明，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 種對速度反應比較靈敏的設備，能夠吸收、衰減振動和沖擊的能量，從而減小結構的動力反應，減弱節(jié)點的局部受力，達到保護受力設備的目的。 研究的目的與意義 運輸作為我國經濟發(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。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，取得了較好的應用效果 [4][5]。膠泥緩沖器以其容量大、阻抗低、結構輕巧、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用，目前在歐洲鐵路使用的膠泥緩沖器產品在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，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。一般是將加有硫化劑、填充劑等配合劑的橡膠放入模具內加熱加壓硫化成各種形狀，利用硫化橡膠的彈性來達到緩沖、減振目的。并分別對缸體和活塞活塞桿建模，然后對其進行有限元分析，得到變形圖、應力圖、應變圖，分析缸體、活塞及活 塞桿結構設計中可能存在的不合理的地方，對彈性膠泥緩沖器結構的設計進行校核。本文 介紹了目前國內外對膠泥緩沖器的研究和研究成果，同時介紹了國內外市場上各種優(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構性能，以及相比其他類型的緩沖器產品的優(yōu)點，分析了彈性膠泥緩沖器已有的結構形式，總結了其優(yōu)點和缺點 ,在此基礎上，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構形式。目前，國內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，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，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用， 波蘭的 KAMAKC 公司利用這種材料技術中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 第 2 頁 共 44 頁 并開發(fā)出系列緩沖器產品應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。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用研究。 1988 年機電部上海材料研究所受機電部一重廠委托承擔了膠泥緩沖器這種新技術產品的消化吸收，并開發(fā)出了型號 52 52 307 等幾個型號的緩沖器產品，其中最大的容量已達到 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院進行膠泥緩沖器方面的技術交流，上世紀 90 年代末四方所與KAMAKC 公司加強了技術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，由于核心技術仍然由外方掌握，并未進行轉讓，所以致使膠泥產品的研制開發(fā)的進展較慢 [8]。為了解決這一難題，我們設計了新型的膠泥緩沖器。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計 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。 俄 羅斯鐵道部門對 KZE5C 型膠泥緩沖器進行了初步試驗研究。 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，用一定的機械結構來實現(xiàn)其減震、平衡、緩沖功能。當彈性膠泥材料受到的預壓縮力越大和活 塞的運動速度越快，則產生的阻抗力也越大，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；適應性強、應用范圍廣；已經出現(xiàn)了許多大型的結構分析通用程序，可以直接應用。 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。 A