【正文】 PreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions 圖 圖 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)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。 缸體的建模及分析 缸體的數(shù)據(jù)及實物圖 缸體數(shù)據(jù)： 缸體外徑： Do＝ 60mm， 器缸體的厚度δ＝ ， 缸體的總長度 l=140mm 缸體實物圖 對缸體建模 由于缸體的結(jié)構(gòu)比較簡單，所以其建模也比較簡單。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。 其工作過程分為壓縮階段和恢復原階段：當活塞柱受到的外壓力小于預壓力時，活塞柱靜止不動；當外壓力大于預壓力時，活塞柱向容器內(nèi)移動，部份活塞柱進入容器內(nèi)，此時彈性膠泥被壓縮，體積縮小，并對活塞柱產(chǎn)生一定反作用力，直至與外壓力相等，在這一過程中由于活塞的環(huán)形間隙 (或節(jié)流孔 )的節(jié)流作用和彈性膠泥材料的壓縮變形吸收沖擊能量，摩擦部 分將沖擊能量的部份以摩擦熱和彈性體組成阻尼耗能的形式消耗掉，彈性膠泥接收部分外力動能并轉(zhuǎn)化為膠泥的彈性勢能；剩余部份則轉(zhuǎn)化為彈性體組成的彈性勢能；由于膠泥材料的特性，當彈性膠泥的預壓力和活塞的運動速度越大，阻抗也就越大，這有利于提高緩沖器在大沖擊下的容量，即沖擊越大，緩沖器的容量就越大；沖擊小，緩沖器的容量就越小。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。一般是越大越好，城市軌道車用緩沖器吸收率以 80%左右為最佳值 [14]。 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。所以對于膠泥材料，感興趣的是單位時間內(nèi)耗散的能量。行程定為 50mm。這里選擇膠泥緩沖器的沖擊速度為[14]。因此考慮 緩沖器在設(shè)計中，沖擊速度對性能的要求要與容量、阻尼力相匹配。根據(jù)上述原則，確定緩沖器的阻尼力為 7500N。緩沖器的選擇需要考慮兩方面。阻尼中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 共 44 頁 力過大，則車輛在運行過程中，平衡肘與緩沖器碰撞的沖擊力過大，就會影響葉片 式減振器的運行，會使減振器的連桿受力和搖臂彎曲變形，甚至斷裂；阻尼力過小，則過多的力由減振器承擔，會使減振器的連桿受拉變形。如圖 24 所示。構(gòu)造形式可以是單出桿式和雙出桿式。 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(jié)構(gòu)很大才可能允許膠泥流過。 當活塞相對于缸體運動時，阻尼材料流過小孔產(chǎn)生阻尼。如圖 25 所示。 (1)間隙式：活塞和阻尼容積缸壁之間保持一定的間隙，即所謂的阻尼環(huán)。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。如圖 22，圖 23，圖 24。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 ),且加工較為復雜 ,因此不適合于大型結(jié)構(gòu)的防護。常見的粘滯阻尼器 的單出桿式阻尼器有兩種基本形式。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(nèi)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(chǎn)生阻尼 [12]。 粘滯流體阻尼器根據(jù)其運動方式可分為兩類：一類是平動阻尼器，如板式、錐體式和活塞式；另一類是旋轉(zhuǎn)式阻尼器，如曲柄減振器、葉輪式減振器、活塞式減振器等。 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 標要求選擇。 中北大學 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力應變計算，根據(jù)分析結(jié)果對緩沖器結(jié)構(gòu)設(shè)的計進行校核。 (3)察看分析結(jié)果及檢驗結(jié)果。 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。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(jīng)應用于機械、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。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。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)。對于大多數(shù)形狀和邊界條件復雜的工程問題，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 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。 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(shù)。 它經(jīng)歷了從低級到高級、從簡單到復雜的發(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(jīng)歷了 60 余年的發(fā)展。 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。當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 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。 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)實際應用的需要增加一定的預壓縮力，當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。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。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]。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。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％。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。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。而膠泥緩沖器正是一 種對速度反應比較靈敏的設(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，減弱節(jié)點的局部受力，達到保護受力設(shè)備的目的。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。 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。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，由原鐵道部四方車輛研究所承擔客車膠泥緩沖器研制。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]。 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。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]。全俄鐵道科學研究院與波蘭 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。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。該系列標準的制定為膠泥緩沖器更廣泛的應用奠定了基礎(chǔ)，推動了緩沖 器在其它車輛的上的應用。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(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。并很快在建筑上、鐵路上得到應用，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。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。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。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到緩沖、減振目的。 緩沖器是各種車輛及機械設(shè)備重要的零件，是吸收沖擊能，緩和不必要的沖擊的必要裝置，緩沖器質(zhì)量直接影響到車輛的安全和機器的穩(wěn)定。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(jié)構(gòu)設(shè)計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)計進行校核。 2020 屆畢業(yè)論文 第 I 頁 共 II 頁 畢業(yè)設(shè)計說明書 彈性膠泥緩沖器關(guān)鍵件的有限元分析 需要完整 cad 圖紙，請聯(lián)系 :68661508 學生姓名： 學號： 學 院： 專 業(yè)： 指導教師： 2020 年 06 月 機械工程與自動化學院 機械設(shè)計制造及其自動化 2020 屆畢業(yè)論文 第 II 頁 共 II 頁 彈性膠泥緩沖器關(guān)鍵件的有限元分析 摘要 緩沖器是各種車輛及機械設(shè)備 重要的零件，是吸收沖擊能，