论文推荐丨常浩等：基于有限元仿真技术的轨道车辆锥形弹簧的结构优化研究

基于有限元仿真技术的轨道车辆锥形弹簧的结构优化研究


摘要

本文应用有限元仿真技术对轨道车辆某型号锥形弹簧结构进行了优化研究。研究发现，采用Ogden 4阶超弹性本构模型能精确模拟橡胶材料的大应变特性。通过对比分析，发现流线型橡胶型面的锥形弹簧能够有效避免橡胶型面褶皱现象，消除应力集中，延长弹簧疲劳寿命。并通过调整喇叭口式隔板的直径大小，实现了垂向刚度与横向刚度的灵活匹配，进一步提升了锥形弹簧的结构优化方案，延长弹簧疲劳寿命。研究提供了一种新型锥形弹簧结构优化的工作思路。

关键词


轨道车辆；锥形弹簧；结构优化；流线形型面；喇叭口式隔板；有限元仿真


主要内容


锥形弹簧的性能要求与初始结构缺陷




性能要求：该型号锥形弹簧主要包括垂向刚度、横向刚度、空载压缩高度的要求值及工况条件。

初始结构缺陷分析：通过有限元仿真对某批次锥形弹簧进行分析，揭示锥形弹簧橡胶部分容易出现的开胶和裂纹问题，以及橡胶型面设计存在的问题。

有限元仿真分析与结构优化

材料力学行为研究：考虑到橡胶材料复杂性及对其大应变特性要求，通过基础测试研究选取了Ogden 4阶模型，证实其对于描述此类弹性高分子材料的力学行为的有效性与高精度。

结构优化：提出采用流线形橡胶型面与喇叭口式隔板结合的优化方案，避免橡胶型面褶皱，减少应力集中，延长疲劳寿命。通过仿真计算分析优化结构下簧簧材料的应力分布和使用寿命。

结构优化特性与优点

流线形型面设计：流线形型面改进了受载后橡胶部分的应力和应变分布，有效增加橡胶部分的应力释放面积和应变的灵活性。

喇叭口结构应用：通过调整喇叭口结构，实现了锥形弹簧垂向与横向刚度的匹配，优化了结构的通用性和耐用性，延长了疲劳寿命。

疲劳试验验证

试验条件：在四通道疲劳试验机上进行了200万次疲劳试验，控制橡胶部分温度不超过40℃，对两种结构的垂向刚度、压缩高度及外观变化进行综合评估。

试验结果：优化后结构的锥形弹簧显示出了显著的疲劳寿命提升，验证了结构优化的可行性及其提出的锥形弹簧解决方案的有效性。

结论

应用有限元仿真技术，论证了Ogden 4阶模型在预测弹性高分子材料性能上的高精度。通过结构优化，减少了应力集中，延长了锥形弹簧的疲劳寿命，实现了结构效率的提升。优化后的结构兼具力学性能的改善与耐用性增强，对轨道车辆减振设计提供了一种创新思路。

引文来源


文章发表于《橡胶工业传媒》（具体年份和细节，请在研究时查阅最新的出版物信息）。

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