一种金属橡胶缓冲装置及结构优化方法与流程

1.本发明主要涉及交通运输设备减震技术领域，特指一种金属橡胶缓冲装置及结构优化方法。


背景技术：

2.按照应用场合和结构特点，缓冲装置大致可分为弹性体缓冲装置、弹簧缓冲装置、液压缓冲装置等，上述缓冲装置大多存在一些缺陷，如性能不稳定、容量较小等；当应用场合位于海上、戈壁滩、山区等恶劣环境，其维护难度及成本非常高。因此，要求缓冲装置在具备缓冲功能的前提下，要求结构简单、性能可靠，冲击后零部件不会掉落。由于金属橡胶缓冲装置结构简单、性能可靠、成本低廉、缓冲功能良好，因此在汽车、机车、船舶等交通运输设备上得到广泛应用。
3.橡胶材料仿真分析是进行金属橡胶缓冲装置结构优化的现代设计方法，但对缓冲装置弹性特性的分析要比金属件的分析更复杂，金属的力学性能仅需弹性模量、泊松比及塑性应变参数等，而橡胶材料通常用超弹性本构模型来模拟，具有较强的材料非线性，本构关系复杂，且其变形具有大变形几何非线性的特点，其体积几乎不可压缩或完全不可压缩。因此，在橡胶件仿真分析时，上述特点导致分析过程中会存在收敛性、稳定性及准确性方面的问题。此外，橡胶件是一种超弹性材料，橡胶件的厚度越大、体积越大，其缓冲容量越大，但会造成缓冲行程过大，因此通过金属橡胶缓冲装置的结构优化，加快缓冲装置开发进度，以获得结构更简单、性能更可靠、缓冲功能高效的金属橡胶缓冲装置是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种金属橡胶缓冲装置结构优化方法，能加快金属橡胶缓冲装置仿真分析的收敛，减小计算代价，从而实现加快开发金属橡胶缓冲装置。本发明还提供了一种结构更简单、性能可靠、缓冲功能高效的金属橡胶缓冲装置。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.一种金属橡胶缓冲装置结构优化方法，实施步骤包括：
7.s1：获取金属橡胶缓冲装置的初始结构；
8.s2：根据金属橡胶缓冲装置的当前结构建立有限元模型，得到实体模型，所述实体模型中在第一金属框的外底壁与第二金属框的内底壁之间配置x型橡胶块，在所述x型橡胶块的上顶面和下底面的周侧配置辅助金属块，所述辅助金属块用于阻止x型橡胶块有限元模型的顶层和底层网格在仿真分析时发生畸变；
9.s3：对所述实体模型进行仿真分析，获取缓冲性能的分析结果；
10.s4：判断所述分析结果是否符合预设要求，如比较结果为符合，完成优化；如比较结果为不符合，则根据分析结果优化所述金属橡胶缓冲装置的结构中x型橡胶块和/或辅助
金属块，继续步骤s2至步骤s4。
11.作为本发明的进一步改进：在步骤s2中还包括在所述实体模型中第一金属框的外侧壁和第二金属框的内侧壁之间配置橡胶件。
12.作为本发明的进一步改进：所述步骤s4中对金属橡胶缓冲装置进行结构优化的具体方式为增大x型橡胶块的总体长度、在x型橡胶块的中部设通孔、调整橡胶件的胶料、调整辅助金属块的厚度中的任意一种或多种。
13.作为本发明的进一步改进：所述步骤s2中建立有限元模型时，在所述实体模型的x型橡胶块的上顶面和下底面设置一层薄橡胶垫，所述薄橡胶垫的任意一条边长均大于所述x型橡胶块的上顶面和/或下底面的边长，所述辅助金属块围设于薄橡胶垫的周侧。
14.作为本发明的进一步改进：配置所述辅助金属块的厚度大于所述薄橡胶垫的厚度。
15.作为本发明的进一步改进：配置所述辅助金属块纵向宽度大于x型橡胶块纵向变形的最大长度。
16.作为本发明的进一步改进：所述辅助金属块采用倒圆角设计。
17.作为本发明的进一步改进：所述步骤s3的仿真分析中包括对金属橡胶缓冲装置的主要部件进行网格划分，第一金属框、第二金属框采用大尺寸网格，橡胶件和x型橡胶块采用小尺寸网格，x型橡胶块纵向两端及横向两端的网格尺寸小于中部的网格尺寸。
18.作为本发明的进一步改进：所述步骤s3的仿真分析中还包括对与辅助金属块倒圆角部位接触的x型橡胶块的部位进行网格加密。
19.作为本发明的进一步改进：所述步骤s3的仿真分析中包括对金属橡胶缓冲装置分段加载竖向压缩位移，在第二金属框的底部施加固定约束，在第一金属框的参考点分段加载竖向压缩位移；当有限元模型采用1/2物理模型时，在金属橡胶缓冲装置纵向长度方向一端施加对称边界条件；当有限元模型采用1/4物理模型时，在金属橡胶缓冲装置纵向长度方向一端与横向长度方向一端施加对称边界条件；当有限元模型采用1/4物理模型时，在施加水平剪切位移时，取消金属橡胶缓冲装置横向宽度方向一端的对称边界条件。
20.本发明还提供了一种金属橡胶缓冲装置，包括第一金属框、第二金属框、所述第一金属框嵌设于所述第二金属框内，所述第一金属框的外周壁与第二金属框的内周壁之间设有橡胶件，所述第一金属框的外底壁与第二金属框的内底壁之间设有x型橡胶块。
21.作为本发明的进一步改进：所述x型橡胶块包括矩形橡胶块、第一梯形橡胶块、第二梯形橡胶块、第三梯形橡胶块和第四梯形橡胶块，所述第一梯形橡胶块和第二梯形橡胶块对称布置于矩形橡胶块的两个侧壁的上部，所述第三梯形橡胶块和第四梯形橡胶块对称布置于矩形橡胶块的两个侧壁的下部。
22.作为本发明的进一步改进：所述第一梯形橡胶块、第二梯形橡胶块、第三梯形橡胶块和第四梯形橡胶块为直角梯形，所述第一梯形橡胶块和第二梯形橡胶块的直角腰与矩形橡胶块的上顶面在同一水平面上，所述第三梯形橡胶块和第四梯形橡胶块的直角腰与矩形橡胶块的下底面在同一水平面上。
23.作为本发明的进一步改进：所述x型橡胶块的上顶面和/或下底面设有薄橡胶垫，所述薄橡胶垫任意一条边长均大于x型橡胶块上顶面和/或下底面的边长。
24.作为本发明的进一步改进：所述矩形橡胶块的横向宽度与薄橡胶垫的横向宽度的
比值小于等于1/3。
25.与现有技术相比，本发明的优点在于：
26.1、本发明的金属橡胶缓冲装置结构优化方法，在实体建模步骤中，在实体模型中第一金属框的外底壁与第二金属框的内底壁之间配置x型橡胶块，x型橡胶块内部不含薄钢板，是一种纯橡胶块，这种纯橡胶块在受到竖向荷载的作用时，其竖向压缩变形程度更快，而其底层与顶层的橡胶的受力最大，因此上述两层的变形程度更大，易造成x型橡胶块的有限元模型顶层与底层的网格最先发生畸变，且此时x型橡胶块的竖向压缩位移不大，导致仿真分析收敛难度增大，计算过早终止；为了配合x型橡胶块的仿真分析，在实体建模时，通过设计辅助金属块，阻止x型橡胶块有限元模型的顶层和底层网格在仿真分析时发生畸变，由于辅助金属块的厚度较小，这种调整对金属橡胶缓冲装置的竖向载荷、水平载荷及水平剪切位移(即缓冲行程)设计要求产生的影响可以忽略，且能加快金属橡胶缓冲装置仿真分析的收敛，极大地减小计算代价。
27.2、本发明的金属橡胶缓冲装置结构优化方法，在x型橡胶块的上顶面和下底面设有薄橡胶垫，薄橡胶垫的任意一条边长均大于x型橡胶块的上顶面和/或下底面的边长，有利于x橡胶块的顶部或底部的橡胶向四周变形时从硬着陆(即x型橡胶块直接与金属框接触)变成软着陆(即x型橡胶块与薄橡胶垫接触)，从而使仿真分析顺利进行；本发明是先让x型橡胶块的竖向压缩变形从自接触开始，先建立起x型橡胶块与薄橡胶垫接触，然后再进行薄橡胶垫与金属框的接触，不仅增大了x型橡胶块的竖向压缩位移，还能减小了计算代价，有利于计算收敛。
28.3、本发明的金属橡胶缓冲装置，将橡胶件设计成x型橡胶块，其横向截面的结构形式类似x形，纵向截面的结构类似矩形，通过减小x型橡胶块纵向两端的受力面并增大其横向两端的受力面，有利于协调x型橡胶块纵向两端和横向两端的变形程度，能避免任何一方的变形程度过大，避免在仿真分析时出现有限元网格扭曲变形严重而发生网格畸变，导致计算终止。通过本发明的结构优化方法得到的金属橡胶缓冲装置结构简单、性能可靠、缓冲功能高效。
附图说明
29.图1是本发明实施例方法的基本流程示意图。
30.图2是本发明实施例的金属橡胶缓冲装置的1/2模型示意图。
31.图3是本发明实施例的金属橡胶缓冲装置的1/2模型的纵向剖面图。
32.图4是本发明实施例的x型橡胶块的正视结构示意图。
33.图5是本发明实施例的x型橡胶块的侧视结构示意图。
34.图6是本发明实施例的金属橡胶缓冲装置1/2模型的辅助金属块的俯视结构示意图。
35.图7是本发明实施例的金属橡胶缓冲装置1/2模型的辅助金属块的侧视结构示意图。
36.图例说明：
37.1、第一金属框；2、第二金属框；3、橡胶件；4、x型橡胶块；41、矩形橡胶块；42、第一梯形橡胶块；43、第二梯形橡胶块；44、第三梯形橡胶块；45、第四梯形橡胶块；5、辅助金属
块；6、薄橡胶垫。
具体实施方式
38.以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
39.如图1至图7所示，本发明公开了一种金属橡胶缓冲装置结构优化方法，实施步骤包括：
40.s1：获取金属橡胶缓冲装置的初始结构；
41.s2：根据金属橡胶缓冲装置的当前结构建立有限元模型，得到实体模型，实体模型中在第一金属框1的外底壁与第二金属框2的内底壁之间配置x型橡胶块4，在x型橡胶块4的上顶面和下底面的周侧配置辅助金属块5，辅助金属块5用于阻止x型橡胶块4有限元模型的顶层和底层网格在仿真分析时发生畸变；
42.s3：对实体模型进行仿真分析，获取缓冲性能的分析结果；
43.s4：判断分析结果是否符合预设要求，如比较结果为符合，完成优化；如比较结果为不符合，则根据分析结果优化金属橡胶缓冲装置的结构中x型橡胶块4和/或辅助金属块5，继续步骤s2至步骤s4。
44.本发明的金属橡胶缓冲装置的结构优化方法，在实体建模步骤中，在实体模型的第一金属框1的外底壁与第二金属框2的内底壁之间配置x型橡胶块4，x型橡胶块4内部不含薄钢板，是一种纯橡胶块，这种纯橡胶块在受到竖向荷载的作用时，其竖向压缩变形程度更快，而其底层与顶层的橡胶受力最大，因此上述两层的变形程度更大，造成x型橡胶块4的有限元模型顶层与底层的网格最先发生畸变，且此时x型橡胶块4的竖向压缩位移不大，导致仿真分析收敛难度增大，计算过早终止；为了配合x型橡胶块4的仿真分析，在实体建模时，通过设计辅助金属块5，阻止x型橡胶块4有限元模型的顶层和底层网格在仿真分析时发生畸变；由于辅助金属块5的厚度较小，这种调整不会对金属橡胶缓冲装置的竖向载荷、水平载荷及水平剪切位移(即缓冲行程)设计要求产生影响，且能加快金属橡胶缓冲装置仿真分析的收敛，极大地减小计算代价。
45.本实施例中，在步骤s2中还包括在实体模型中第一金属框1的外侧壁和第二金属框2的内侧壁之间配置橡胶件3。
46.本实施例中，步骤s4中对金属橡胶缓冲装置进行结构优化的具体方式为增大x型橡胶块4的总体长度、在x型橡胶块4的中部设通孔、调整橡胶件3的胶料、调整辅助金属块5的厚度中的任意一种或多种。
47.当金属橡胶缓冲装置的竖向荷载不满足设计要求时，增大x型橡胶块4的总体长度，不改变其横向截面的结构形式，以减少计算代价。当金属橡胶缓冲装置的竖向压缩位移难以满足设计要求时，在x型橡胶块4中部设通孔，同时增大x型橡胶块4的总体长度，既满足竖向压缩位移设计要求，又满足竖向荷载设计要求。当金属橡胶缓冲装置的竖向荷载与水平荷载设计要求难以满足时，橡胶件3可以采用硬度稍大的胶料，减少金属橡胶缓冲装置的竖向压缩位移和水平剪切位移。当金属橡胶缓冲装置的竖向荷载较大时，增大辅助金属块5的厚度，降低x型橡胶块4的总体变形程度，又能将x型橡胶块4纵向两侧与横向两侧的变形趋势保持一致。
48.本实施例中，步骤s2中建立有限元模型时，在实体模型的x型橡胶块4的上顶面和
下底面设置一层薄橡胶垫6，薄橡胶垫6的任意一条边长均大于x型橡胶块4的上顶面和/或下底面的边长，辅助金属块5围设于薄橡胶垫6的周侧。
49.通过在x型橡胶块4的上顶面和下底面配置薄橡胶垫6，薄橡胶垫6的任意一条边长均大于x型橡胶块4的上顶面和/或下底面的边长，有利于x型橡胶块4的顶部或底部的橡胶向四周变形时从硬着陆(即x型橡胶块4直接与金属框接触)变成软着陆(即x型橡胶块4与薄橡胶垫6接触)，从而使仿真分析顺利进行；本发明是先让x型橡胶块4的竖向压缩变形从自接触开始，先建立起x型橡胶块4与薄橡胶垫6接触，然后再进行薄橡胶垫6与金属框1、2的接触，不仅增大了x型橡胶块4的竖向压缩位移，还能减小了计算代价，有利于计算收敛。
50.进一步的，在优选实施例中，x型橡胶块4的模型具体结构为：x型橡胶块4包括矩形橡胶块41、第一梯形橡胶块42、第二梯形橡胶块43、第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45，第一梯形橡胶块42和第二梯形橡胶块43对称布置于矩形橡胶块41的两个侧壁的上部，第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45对称布置于矩形橡胶块41的两个侧壁的下部；第一梯形橡胶块42、第二梯形橡胶块43、第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45为直角梯形，第一梯形橡胶块42和第二梯形橡胶块43的直角腰与矩形橡胶块41的上顶面在同一水平面上，第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45的直角腰与矩形橡胶块41的下底面在同一水平面上。
51.x型橡胶块4的尺寸要求：矩形橡胶块41的横向宽度(见图4中的b1)与薄橡胶垫6的横向宽度(见图4中的b)的比值小于等于1/3，第一梯形橡胶块42与第三梯形橡胶块44之间的矩形橡胶块41的厚度(见图4中的h1)与x型橡胶块4及上下两块薄橡胶垫6厚度总和(见图4中的h)的比值应大于0.6；薄橡胶垫6沿横向方向超出x型橡胶块4上顶面或下底面的边长尺寸(见图4中的b2)应大于梯形橡胶块上底边的长度(见图4中的h2)；薄橡胶垫6沿纵向方向超出x型橡胶块4上顶面或下底面的边长尺寸(见图5中的b3)应大于梯形橡胶块下底边的长度(见图5中的h4)；薄橡胶垫的厚度(见图4中的h3)应小于辅助金属块5的厚度(见图7的h5)；辅助金属块5纵向宽度(见图6的b4)大于x型橡胶块4纵向变形的最大长度，有利于x型橡胶块4变形以后整体外部形状更规则。
52.本实施例中，辅助金属块5采用倒圆角设计，能避免发生网格渗透，造成计算难以收敛。
53.本实施例中，步骤s3中仿真分析的详细步骤包括：
54.s301)输入1/2或1/4有限元模型作为分析模型；
55.s302)对金属橡胶缓冲装置的主要部件进行网格划分；具体为：对金属橡胶缓冲装置进行网格划分时，第一金属框1、第二金属框2采用大尺寸网格，橡胶件3和x型橡胶块4采用小尺寸网格，x型橡胶块4纵向两端及横向两端的网格尺寸小于中部的网格尺寸；包括对与辅助金属块5倒圆角部位接触的x型橡胶块4的部位进行网格加密。
56.s303)针对分析模型赋予材料属性；
57.s304)将金属橡胶缓冲装置的主要部件进行装配；
58.s305)设置分析步；
59.s306)定义约束；
60.s307)定义边界条件；
61.s308)对金属橡胶缓冲装置分段加载竖向压缩位移；具体为：在第二金属框2的底
部施加固定约束，在第一金属框1的参考点分段加载竖向压缩位移；当有限元模型采用1/2物理模型时，在金属橡胶缓冲装置纵向长度方向一端施加对称边界条件；当有限元模型采用1/4物理模型时，在金属橡胶缓冲装置纵向长度方向一端与横向长度方向一端施加对称边界条件；当有限元模型采用1/4物理模型时，在施加水平剪切位移时，取消金属橡胶缓冲装置横向宽度方向一端的对称边界条件。
62.s09)建立分析文件并获取缓冲性能的分析结果。
63.本实施例中，橡胶件3设计成方形橡胶件，围设于第一金属框1的外侧壁，其中沿第一金属框1的横向方向对称布置的方形橡胶件的横向网格尺寸大于其纵向网格尺寸，当金属橡胶缓冲装置的竖向压缩位移与水平剪切位移较大时，横向方向对称布置的方形橡胶件先承受剪切载荷，再承受压缩载荷，而纵向方向对称布置的方形橡胶件两次承受剪切载荷，纵向方向对称布置的方形橡胶件的横向网格尺寸与纵向网格尺寸基本一致，有利于计算收敛。
64.本实施例还提供了一种金属橡胶缓冲装置，包括第一金属框1和第二金属框2，第一金属框1嵌设于第二金属框2内，第一金属框1的外周壁与第二金属框2的内周壁之间设有橡胶件3，第一金属框1的外底壁与第二金属框2的内底壁之间设有x型橡胶块4。
65.本实施例中第一金属框1的下底面沿纵向和横向向外延伸形成纵向延伸部和横向延伸部，纵向延伸部的尺寸大于横向延伸部的尺寸。
66.本实施例中，将橡胶件3设计成x型橡胶块4，其横向截面的结构形式类似x形，纵向截面的结构类似矩形，通过减小x型橡胶块4纵向两端的受力面并增大其横向两端的受力面，有利于协调x型橡胶块4纵向两端和横向两端的变形程度，能避免任何一方的变形程度过大，避免在仿真分析时出现有限元网格扭曲变形严重而发生网格畸变，导致计算终止。通过本实施例的结构优化方法得到的金属橡胶缓冲装置结构简单、性能可靠、缓冲功能高效。
67.本实施例中，x型橡胶块4包括矩形橡胶块41、第一梯形橡胶块42、第二梯形橡胶块43、第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45，第一梯形橡胶块42和第二梯形橡胶块43对称布置于矩形橡胶块41的两个侧壁的上部，第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45对称布置于矩形橡胶块41的两个侧壁的下部。
68.本实施例中，第一梯形橡胶块42、第二梯形橡胶块43、第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45为直角梯形，第一梯形橡胶块42和第二梯形橡胶块43的直角腰与矩形橡胶块41的上顶面在同一水平面上，第三梯形橡胶块44和第四梯形橡胶块45的直角腰与矩形橡胶块41的下底面在同一水平面上。四个梯形橡胶块与矩形橡胶块41采用一体成型设计构成x型橡胶块4，由于x型橡胶块4的纵向两端的受力面小于横向两端的受力面，有利于平衡x型橡胶块4纵向两端和横向两端的变形程度，避免任何一方的变形程度过大。
69.本实施例中，x型橡胶块4的上顶面和/或下底面上均设有薄橡胶垫6，薄橡胶垫6任意一条边长均大于x型橡胶块4上顶面和/或下底面的边长。x型橡胶块4的竖向压缩变形从自接触开始，先建立起x型橡胶块4与薄橡胶垫6接触，然后再进行薄橡胶垫6与金属框1、2的接触，不仅增大了x型橡胶块4的竖向压缩位移，还能减小了计算代价，有利于计算收敛。
70.本实施例中，矩形橡胶块41的横向宽度与薄橡胶垫6的横向宽度的比值小于等于1/3。
71.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，
凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。