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原文传递热力耦合条件下长寿命橡胶球铰的疲劳耐久性仿真分析及优化设计

论文题名：	热力耦合条件下长寿命橡胶球铰的疲劳耐久性仿真分析及优化设计
关键词：	橡胶球铰;有限元分析;疲劳寿命;热力耦合;结构优化
摘要：	随着现代社会的不断进步，车辆成为了人们生活中不可或缺的一部分，在车辆保障基础上，人们逐步开始关注车辆更高的安全性能、驾驶性能、乘坐体验等。橡胶球铰作为具备减震缓冲作用的橡胶弹性元件之一,可以提升车辆的乘坐舒适度，在汽车车辆等诸多行业中得到了大面积的应用。由此，兼顾安全稳定性且寿命长的耐用型橡胶球铰是一直以来的研发目标。如何在保证橡胶球铰力学性能前提下，延长其使用疲劳寿命是最为关键的问题。　　橡胶球铰在实际工况中容易受多轴载荷的作用，工作环境复杂，容易产生疲劳破坏，因此准确了解其承载特性和疲劳破坏的原因，预测、优化结构到达合理的疲劳寿命至关重要。但疲劳破坏过程影响因素众多，测试难度大成本高，很难做到实时的逐一测试。基于此情况，本论文采用有限元仿真的方法，结合橡胶的粘弹性机理和疲劳破坏机理，运用Abaqus和Endurica软件进行仿真分析，建立了橡胶球铰的高精度仿真模型，探究出橡胶球铰的热力耦合疲劳寿命仿真方法，并对橡胶球铰的部分参数的影响程度进行的探究。基于探究结果，对橡胶球铰的橡胶部件结构进行了优化设计。主要研究工作分为三个部分: 　　（1）构建了橡胶球铰的高精度仿真模型，基于橡胶球铰静刚度测试标准，建立橡胶球铰静刚度仿真分析方法。首先依据橡胶球铰的几何参数构建各零部件，橡胶采用Neo-Hookean本构方程进行定义，以ShoreA硬度为68确定方程参数，通过装配、定义接触和边界条件完成模型的组装、建立。其次分析了橡胶部件不同网格类型、网格量对仿真计算结果的影响,确定了六面体网格5万网格量为橡胶部件的仿真模型参数。最后基于橡胶球铰静刚度测试方法，建立了等位移、等角度加载的对标仿真计算方法，计算得到了橡胶球铰的各服役工况静刚度，并与技术要求进行了对比，为橡胶选取和结构设计提供指导。　　（2）在（1）中构建的橡胶球铰模型基础上，建立了橡胶球铰在6种不同服役工况（轴向运动、垂直径向运动、水平径向运动、扭转运动、水平偏转运动、垂直偏转运动）下的静刚度、受力变形、动态生热和疲劳寿命的仿真分析流程，为建立材料硬度、球铰结构、服役工况与疲劳寿命之间的关联关系提供了方法支撑。首先采用不考虑热力耦合的仿真分析方法，分别对橡胶球铰的橡胶实体部分、橡胶与空气接触表面进行了疲劳寿命仿真预测，结果表明在等位移、等角度的循环加载下，橡胶的疲劳破坏点和最低疲劳寿命点均位于橡胶的实体部分,橡胶的疲劳破坏是从橡胶内部先发生的。其次，采用考虑热力耦合疲劳寿命仿真分析方法，对橡胶实体部分进行了疲劳寿命仿真预测，温度场仿真结果表明，最高温度均集中在金属部件夹缝的橡胶区域，在各类单轴加载过程中最高温度达到52.3℃。最后，疲劳寿命仿真结果表明，在各类单轴加载过程中加入热效应参与计算后，疲劳寿命均出现不同程度下降，下降幅度在20％-67％之间。　　（3）基于橡胶球铰静刚度的技术要求，在等位移、等角度加载情况下，研究了橡胶ShoreA硬度、滞后因子对橡胶球铰静刚度、热力耦合疲劳寿命的影响，并基于探究结果对橡胶球铰进行了结构优化设计。首先,ShoreA硬度的影响分析结果表明，ShoreA硬度提升时，橡胶球铰静刚度提升，疲劳寿命近似指数关系降低，其中ShoreA硬度为62的模型最接近静刚度技术要求。其次，滞后因子倍数提升时，橡胶耗散增强，橡胶球铰温升提高，疲劳寿命近似指数关系降低。最后，对抛物线形状、椭圆曲线形状和正弦曲线形状3种凹槽结构形状进行了仿真分析,结果表明抛物线形状可以满足橡胶球铰的绝大部分静刚度技术要求，且对橡胶球铰的综合疲劳性能有提升作用，是一种具有优势的结构。本工作可为橡胶球铰的静刚度对标方法和结构设计提供指导。
作者：	田鑫
专业：	材料科学与工程
导师：	张立群
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京化工大学
学位年度：	2023