【摘 要】
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橡胶堆是连接机车车体和转向架的承载减振元件,直接影响高铁运行的安全性、平稳性和舒适性。在其优化设计过程中,为确定橡胶堆的结构尺寸和橡胶材料的胶料硬度,需要反复建立有限元模型。为缩短开发周期,提高橡胶堆结构设计的准确性,本文以高铁的转向架橡胶堆为研究对象,基于ABAQUS软件二次开发功能,采用Python语言开发了橡胶堆快速建模和结果分析模块,实现了ABAQUS前处理和后处理的自动化;同时,为满足橡
【基金项目】
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中车株洲时代新材料股份有限公司的橡胶堆结构结构仿真与设计优化技术研究项目
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橡胶堆是连接机车车体和转向架的承载减振元件,直接影响高铁运行的安全性、平稳性和舒适性。在其优化设计过程中,为确定橡胶堆的结构尺寸和橡胶材料的胶料硬度,需要反复建立有限元模型。为缩短开发周期,提高橡胶堆结构设计的准确性,本文以高铁的转向架橡胶堆为研究对象,基于ABAQUS软件二次开发功能,采用Python语言开发了橡胶堆快速建模和结果分析模块,实现了ABAQUS前处理和后处理的自动化;同时,为满足橡胶堆刚度和疲劳性能要求,采用Isight软件对橡胶堆进行了尺寸优化,结合刚度试验和疲劳试验结果,验证了橡胶堆优化结构的可靠性。本文主要研究内容如下:1.橡胶材料本构模型的选择及参数测试。为准确计算橡胶堆刚度和疲劳寿命,在分析各类橡胶材料本构模型特点及适用范围的基础上,选取了适用于小变形的Mooney-Rivlin本构模型作为有限元分析的橡胶材料本构模型,并设计了橡胶材料力学试验,得到了Mooney-Rivlin本构模型的相关参数。2.橡胶堆仿真分析模块二次开发与人机界面设计。基于ABAQUS的脚本接口和对象模型,设计了橡胶堆结构仿真模块;结合橡胶堆的结构参数以及材料参数,设计了橡胶堆参数化建模、材料属性定义、创建接触属性、施加载荷、划分网格以及输出分析结果等过程的脚本程序,实现了ABAQUS前处理和后处理的自动化;利用RSG对话框构造器,设计了橡胶堆参数化建模的人机交互界面;并以某高铁橡胶堆为例,采用所开发的前后处理程序,实现了橡胶堆有限元模型的自动生成,应力应变云图及刚度曲线的自动输出,验证了程序的准确性。3.橡胶堆尺寸优化研究。以橡胶堆的尺寸参数和橡胶材料的胶料硬度为变量因子,设计了橡胶堆尺寸优化的正交试验,利用所开发的前后处理程序对橡胶堆进行了参数化建模与刚度求解,并将求解结果导入Isight软件,采用多岛遗传算法对橡胶堆进行尺寸优化。优化结果为:橡胶堆的应力由16.6MPa降低到13.9MPa;应变分布更加均匀;在产品的最佳刚度为17.5k N/mm的设计要求下,刚度由16.78k N/mm提高至17.45k N/mm,刚度匹配性更好;疲劳寿命由368.9万次提高至535.8万次,寿命提高了45%,满足产品的耐疲劳性能要求。4.橡胶堆结构的试验验证。基于优化后的橡胶堆结构,制造了测试样件,并对样件进行了垂向刚度试验和疲劳试验,试验结果为:垂向刚度值为17.28k N/mm,与优化仿真得出的刚度（17.45k N/mm）相差1%;疲劳寿命为590万次,与Endurica软件所计算得出的疲劳寿命（535.8万次）相差10%,试验结果与仿真分析结果基本一致,验证了橡胶堆优化设计的准确性。
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