基于ABAQUS/FE-SAFE的动车组橡胶地板减振器疲劳寿命研究*

曾宪奎，苗 清，郝建国，焦淑莉，褚福海

(青岛科技大学 机电工程学院，山东 青岛 266061)

动车组橡胶地板减振器是动车组地板减振系统中的重要组成部分，主要起减振、隔振和降噪作用。但橡胶减振器在实际使用过程中会发生疲劳破坏，一旦疲劳破坏，其隔振、降噪及抗冲击性能将受到直接影响，严重影响乘客乘坐的舒适性，因此对减振器进行疲劳寿命分析十分必要。目前对橡胶减振器的疲劳寿命研究主要以疲劳实验方法为主，但由于影响橡胶减振器耐久性和机械疲劳的因素众多，疲劳实验方法费时费力、效率低、测试难度大[1]。本文将采用ABAQUS/FE-SAFE疲劳寿命预测方法[2]研究动车组橡胶地板减振器的疲劳寿命，相比实验方法，可以大大提高效率。

1 橡胶材料本构模型及属性

1.1 橡胶材料本构模型及S-N曲线

本文研究的动车组橡胶地板减振器由金属和橡胶硫化而成，所以需要定义2种材料的参数。胶料采用重庆长寿化工有限公司生产的氯丁橡胶，邵尔A硬度为60±5；金属采用山东华建铝业有限公司生产的铝合金6063。

大多数连续介质力学处理橡胶弹性时，都把橡胶材料变形看成是各向同性的超弹性体均匀变形，这样应变能密度函数可以表示成主伸长比或者变形张量的3个应变不变量的函数[3]。因此文中采用的基于不变量的连续介质模型是橡胶材料领域中应用较为广泛的 Mooney-Rivlin模型[4-5]，其应变能密度函数表达式如式(1)所示。

(1)

E=(15.75+2.15HA)/(100-HA)

(2)

E=6C10(1+C01/C10)

(3)

式中：E为弹性模量，MPa；HA为橡胶邵尔A硬度。

橡胶超弹本构模型的主要参数为：C10=0.501 MPa，C01=0.123 MPa，D1=0.000 1 Pa-1。

橡胶材料在利用FE-SAFE软件进行疲劳寿命分析时需将橡胶材料的S-N曲线[6]导入材料库中进行使用。本文减振器橡胶材料的S-N曲线由实验数据经Origin拟合修正得到，如图1所示。

疲劳寿命/次图1 橡胶材料S-N曲线

1.2 金属材料参数及S-N曲线

橡胶地板减振器铝合金6063的材料属性可以通过文献[7]得到，铝合金6063的抗拉强度为230 MPa，屈服强度为180 MPa，弹性模量为69 GPa，泊松比为0.32，S-N曲线如图2所示。

疲劳寿命/次图2 铝合金6063 的S-N曲线

2 橡胶减振器有限元分析

2.1 物理模型的建立及网格划分

根据橡胶减振器的结构，在三维软件SOLIDWORKS中建立橡胶减振器的三维模型，其结构如图3所示。将减振器三维模型导入ABAQUS软件中，并对橡胶减振器结构进行网格划分，使得橡胶中间部分全部为八结点线性六面体单元，杂交，恒压力，减缩积分，沙漏控制。橡胶减振器上方支撑架和底部固定板都为八结点线性六面体单元，减缩积分，沙漏控制。橡胶减振器划分网格后共有43 273个单元和53 369个节点，其中C3D8RH单元有30 075个节点，如图4所示。

图3 减振器三维模型图

图4 减振器网格划分模型

2.2 减振器载荷工况分析

在ABAQUS有限元分析中所模拟的减振器载荷工况有两种，一是压缩0.5 mm模拟减振器空载情况下(只承受与之连接的构件压力)的受压状况，求解减振器位移和应力分布；二是压缩2.5 mm模拟满载情况下(承受外部负载)的受压情况，求解减振器位移和应力分布。

2.3 有限元位移及应力分析

根据橡胶地板减振器有限元分析结果，减振器铝合金部件在垂向位移载荷0.5 mm和2.5 mm作用下的最大应力值为12 MPa，均发生在减振器上部支撑架的最上端，远小于铝合金6063的疲劳极限，所以在减振器的实际使用过程中铝材部分不会产生疲劳破坏，应为无限寿命。减振器橡胶部分施加等效载荷模拟得到的位移云图、应力云图如图5和图6所示。

(a) 橡胶垂向压缩0.5 mm

(b) 橡胶垂向压缩2.5 mm图5 减振器不同工况下的位移云图

在减振器垂向变形时，由于橡胶具有体积不可压缩性，减振器中的橡胶会在四周自由面积处向外膨胀。从图5(a)可以看出，当减振器垂向变形为0.5 mm时，减振器的等效位移最大值为0.539 mm，最小值为0 mm；从图5(b)可以看出，当减振器垂向变形为2.5 mm时，橡胶减振器中橡胶的最大位移为2.63 mm，最小位移为0 mm。最大位移均出现在橡胶与减振器上支架的接触部分，最小位移均出现在橡胶与减振器下固定板支架处的接触区域。

(a) 橡胶垂向压缩0.5 mm

(b) 橡胶垂向压缩2.5 mm图6 减振器不同工况下的应力云图

从图6(a)可以看出，橡胶的等效应力最大值出现在橡胶外侧的2个孔的内侧，最大值为0.9 MPa，最小应力出现在橡胶的两侧，最小值接近0 MPa；从图6(b)可以看出，橡胶的等效应力最大值出现在橡胶中心圆孔内侧的红色区域，最大值为2.199 MPa，最小应力出现在减振器橡胶部分四周蓝色区域，最小值约为0.004 MPa。

从图6还可以看出，橡胶中部圆孔两侧的位置应为动车组橡胶地板减振器应力集中区域。在减振器压缩2.5 mm时，最大应力达到了2.199 MPa，这远大于该橡胶材料的疲劳极限0.8 MPa。在减振器满载工作时会对该部位橡胶材料造成一定的损伤，随着减振器使用时间的延长，疲劳次数逐渐增加，损伤便会逐渐积累，最终会导致该部位发生疲劳破坏，导致橡胶地板减振器的疲劳失效，减振器的隔振、降噪及抗冲击性能会大大降低，从而影响到乘客乘坐的舒适性。建议将减振器两侧的2个圆孔长径减小，加大中部圆孔两侧壁的厚度，从而降低应力集中的程度，提高减振器疲劳寿命。减振器应力集中区域也与其实际使用时出现破坏的区域相吻合，如图7所示，进一步验证了减振器有限元分析结果的正确性。

图7 橡胶减振器疲劳破坏图

3 减振器疲劳寿命分析

FE-SAFE是一种算法先进、功能全面、世界公认疲劳分析精度最高的疲劳分析软件，而且同ABAQUS等许多有限元软件和后处理器都有数据接口[8]。FE-SAFE软件支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术，利用其完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、信号采集与分析处理功能以及丰富先进的疲劳算法，可以完整地输出疲劳分析结果。FE-SAFE疲劳计算技术已广泛实用于各类金属、非金属以及合金材料等领域。

3.1 疲劳载荷谱

动车组橡胶地板减振器在实际使用过程中主要承受垂向的交变载荷作用，但由于其疲劳载荷谱十分复杂，且获取难度较大，本文采用与之比较相近的正弦疲劳载荷谱对橡胶减振器进行疲劳寿命分析，如图8所示。

时间/s图8 减振器疲劳载荷谱

3.2 疲劳分析结果

利用FE-SAFE软件对减振器进行疲劳寿命分析，先将ABAQUS分析应力应变结果及橡胶材料的S-N曲线导入FE-SAFE软件中，选取主应变疲劳算法，橡胶的表面粗糙度设置为不大于16 μm，然后导入减振器疲劳载荷，基于正弦疲劳载荷谱计算得到减振器疲劳失效的载荷循环次数，即疲劳寿命(N)的计算结果，最后将N导入到ABAQUS中，查看橡胶的lnN云图和疲劳安全系数云图，如图9所示。

(a) ln N云图

(b) 疲劳安全系数云图图9 疲劳分析云图

从图9(a)可以看出，减振器疲劳寿命最低的区域为橡胶部分靠近外侧2个孔内侧面上的蓝色部分，该位置的疲劳寿命为106.8=6 309 573次；减振器疲劳寿命最高的区域为橡胶部分周围的红色区域，该位置的最大疲劳寿命为106.954=8 994 975次，也就是说橡胶减振器从生产、装车、使用直到产生裂纹的疲劳寿命应为6 309 573次振动。从图9(b)可以看出，橡胶地板减振器的疲劳安全系数最低值为1.025，出现在橡胶部分靠近外侧2个孔的内侧面上，与之前得到的橡胶疲劳寿命较低的值出现在同一个区域，同时可以看出，安全系数值较低的区域在整个橡胶减振器中所占的比例比较小。

综合考虑，减振器疲劳安全系数的分布情况与疲劳寿命值的分布基本相同，橡胶减振器应力集中程度最高的区域其疲劳寿命值和安全系数均最低，即为减振器最容易发生疲劳破坏的区域。

4 结 论

(1) 橡胶地板减振器中部圆孔两侧的位置为应力集中区域，最容易发生疲劳破坏。建议将减振器两侧的2个圆孔长径减小，加大中部圆孔两侧壁的厚度，从而降低应力集中的程度，提高减振器疲劳寿命。应力集中区域与减振器实际使用时产生疲劳破坏的区域相同，验证了有限元分析结果的正确性。

(2) 在橡胶地板减振器应力应变分析的基础上，基于FE-SAFE平台对橡胶减振器进行了疲劳寿命分析，获得橡胶地板减振器在满载条件下的疲劳寿命为6 309 573次，为改进动车组橡胶地板减振器结构、提高其疲劳寿命提供一定的理论基础。

参 考 文 献：

[1] 上官文斌，王小莉，叶必军，等.应变比对填充天然橡胶疲劳特性影响的试验及其寿命预测方法研究[J].机械工程学报，2013，49(8)：49-56.

[2] 刘建勋，黄友剑，刘柏兵，等.一种橡胶弹性元件疲劳寿命预测方法的研究[J].电力机车与城规车辆，2011，34(3)：12-14.

[3] 何小静.橡胶隔振器静态特性计算与建模方法的研究[D].广州：华南理工大学，2012.

[4] MOONEY M.A theory of large elastic deformation[J].Journal of Applied Physics,1940,11(9)：582-592.

[5] RIVLINRS.Large elastic deformation of isotropic material IV further developments of the general theory[J].Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1948，A241：379-397.

[6] 深崛美英.弹性体疲劳寿命的预测-由断裂力学引出的S-N曲线理论解析及其应用[J].世界橡胶工业，1986，补充卷(4)：67-76.

[7] 沈莲.机械工程材料[M].北京：机械工业出版社，2007：178.

[8] 姜年朝.ANSYS和ANSYS/FE-SAFE软件的工程应用及实例[M].南京：河海大学出版社，2006：128.