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橡胶球铰参数化有限元法优化设计研究

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第1章 绪论

1.1 引言

1.2 橡胶材料本构理论研究

1.3 橡胶球铰优化设计研究进展

1.4 选题背景及意义

1.5 本文的主要内容

第2章 橡胶材料的超弹性本构模型

2.1 概述

2.2 三类基本变形模式下的超弹性本构模型

2.3 橡胶材料的基本力学试验

2.4 本章小结

第3章 橡胶球铰参数的灵敏度分析

3.1 前言

3.2 橡胶大变形数值模拟基本方程

3.3 灵敏度分析

3.4 本章小结

第4章 橡胶球铰结构参数的优化设计

4.1 前言

4.2 橡胶球铰参数优化

4.3 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文与研究成果

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摘要

伴随着工业越来越快地发展，减振和降噪逐渐成为眼下十分重要的问题，如果不妥善处理，便会给广大人民群众带来很大的困扰和烦恼。与此同时，也会降低在项目中的操作精度、缩短产品的寿命、危及公共安全性等。振动会对列车的运营以及城市轨道交通的建设施工产生很大影响，而橡胶的高弹态、高黏态特征，使得橡胶元件非常广泛应用于城市轨道交通中。
　　本文主要针对橡胶球铰这一橡胶弹性元件展开研究，从①材料参数：钢材的杨氏模量E、泊松比?，橡胶材料的参数C10、C01；②工艺参数：预压缩量；③结构参数：橡胶自由端面半径、胶料厚度，这三个方面进行参数化有限元分析，并通过刚度及灵敏度分析确定敏感参数，有针对地进行优化。本文的主要内容包括：
　　1.简要概述了橡胶超弹性本构模型以及橡胶球铰优化设计的研究进展，同时叙述了数值模拟在橡胶件设计研发中的应用。橡胶标准试样的单轴拉伸、等双轴拉伸和平面拉伸力学行为的试验数据可以作为对几种常用橡胶材料超弹性本构模型分析的参考，以此为基础来研究各个模型下，橡胶材料的本构行为有何不同。
　　2.叙述了橡胶大变形数值模拟方程，由橡胶大变形求解公式可知，如果直接对橡胶元件、尤其是不规则的橡胶元件进行数值计算，是相当复杂并且难以完成有效设计的。故本文以ABAQUS为平台，采用参数化有限元法对橡胶球铰进行分析，之后基于灵敏度分析确定敏感参数，利用数值模拟对橡胶球铰的材料参数，结构参数及预压缩量进行灵敏度分析，确定出敏感参数后便可对橡胶球铰进行参数的优化设计。
　　3.由灵敏度分析可知橡胶球铰的胶料厚度、橡胶自由端面半径和预压缩量是敏感参数。后两者可以通过对最大对数主应变的影响以及材料的疲劳寿命与最大主应变的关系来分析得到它们对橡胶球铰疲劳寿命的影响，进而提出优选方案。接下来再通过计算不同胶料厚度下的径向反力、轴向反力和扭转力矩的变形率，可知胶料厚度对橡胶球铰各向刚度的影响程度是径向>轴向≥扭转，于是我们主要从径向刚度出发，利用参数化有限元法，在满足刚度设计要求的前提下，以刚度匹配最优为优化目标，建立优化数学模型，采用通用全局优化算法，从而得出最合适的橡胶层厚度。

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