[机械设计自动化精品] 弹性胶泥缓冲器关键件的有限元分析 毕业设计说明书

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1、 2011届毕业论文毕业设计说明书弹性胶泥缓冲器关键件的有限元分析需要完整cad图纸，请联系QQ:68661508机械工程与自动化学院学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化学 院： 专 业： 指导教师： 2011年06月弹性胶泥缓冲器关键件的有限元分析摘要 缓冲器是各种车辆及机械设备重要的零件，是吸收冲击能，缓和不必要的冲击的必要装置，缓冲器的质量直接影响到车辆的安全和机器的稳定。本文介绍了目前国内外对胶泥缓冲器的研究和研究成果，同时介绍了国内外市场上各种优秀的胶泥缓冲器和缓冲饼等，接着讨论了胶泥缓冲器的结构性能，以及相比其他类型的缓冲器产品的优点，分析了弹性胶泥缓冲器已有的结构形式，总结

2、了其优点和缺点,在此基础上，根据胶泥缓冲器的规格要求和胶泥材料的特性，选择了单出杆组合式的结构形式。并分别对缸体和活塞活塞杆建模，然后对其进行有限元分析，得到变形图、应力图、应变图，分析缸体、活塞及活塞杆结构设计中可能存在的不合理的地方，对弹性胶泥缓冲器结构的设计进行校核。关键词：缓冲器 ,有限元分析, ANSYAFinite Element Analysis Of Elastic clay Buffer Key Pieces AbstractBuffer is an important variety of vehicles and machinery and equipment parts

3、, is to absorb impact energy, the need to ease the impact of unnecessary devices, the buffer directly affects the quality of vehicle safety and machine stability. This article describes the clay buffer at home and abroad on research and research results, also introduced a variety of excellent domest

4、ic and international markets clay buffer and buffer cake, and then discuss the structural properties of the clay buffer and compared with other types of buffer the benefits and analysis of the elastic clay buffer existing structure, summarizes the advantages and disadvantages, in this based on the s

5、pecifications of clay and clay buffer material properties, select the combination of single-rod type of structure. And the cylinder and piston rod respectively, modeling, and its finite element analysis, deformation graph, graph the stress, strain diagram of the cylinder, piston and piston rod desig

6、n that may exist in unreasonable for flexible design of the structure of clay buffer check.Key words: finite element analysis, ANSYA, buffer第II 页 共II页 中北大学2011届毕业设计目录1. 绪 论11.1 概述11.2 弹性胶泥缓冲器国内外的研究动态11.3研究的目的与意义31.4 弹性胶泥缓冲器41.4.1 胶泥缓冲器的工作特性研究41.4.2 胶泥缓冲器的模型41.5 有限元法与ANSYS软件概述51.5.1 有限元方法概述51.5.2 ANS

7、YS概述61.6 论文主要工作72. 胶泥缓冲器的结构和工作原理72.1胶泥缓冲器的结构72.2胶泥缓冲器的参数102.2.1 阻尼力的确定102.2.2冲击速度的确定112.2.3行程的确定112.2.4能量吸收率的确定112.3 胶泥缓冲器的工作原理123.胶泥缓冲器结构的建模及分析133.1缸体的建模及分析133.1.1 缸体的数据及实物图133.1.2对缸体建模133.1.3定义材料常数153.1.4 划分单元163.1.5施加载荷183.1.6 提交计算193.1.7 后处理193.1.8 分析结果253.2 活塞和活塞杆的建模及分析253.2.1活塞和活塞杆的数据253.2.2对活

8、塞和活塞杆建模263.2.3定义材料常数263.2.4 划分单元313.2.5施加载荷343.2.6 提交计算353.2.7 后处理353.2.8 分析结果414.总结41参考文献42致 谢44第I页 共II页 中北大学2011届毕业设计1. 绪 论1.1 概述发展城市轨道交通系统已成为我国解决城市交通问题的必由之路,城市轨道交通车辆的产业化是我国机车车辆工业的重要工作之一,而轨道车辆关键零部件的国产化是城市轨道交通车辆产业化的重要保证。缓冲器是各种车辆及机械设备重要的零件，是吸收冲击能，缓和不必要的冲击的必要装置，缓冲器质量直接影响到车辆的安全和机器的稳定。目前，国内典型的缓冲器有橡胶缓冲器

9、、油脂润滑的环弹簧摩擦式缓冲器、液压缓冲器，其中，液压缓冲器使用液压油作为缓冲介质，利用液压油在外力作用下的流动摩擦生热来吸收能量，但一直以来都存在液压油密封问题难以解决，没有得到广泛应用；金属弹簧缓冲器是利用弹簧的刚弹性，通过弹簧摩擦吸收能量，但其自重较大，弹簧磨损快，使用寿命短；而橡胶作为缓冲、减振材料使用历史悠久。一般是将加有硫化剂、填充剂等配合剂的橡胶放入模具内加热加压硫化成各种形状，利用硫化橡胶的弹性来达到缓冲、减振目的。硫化后的橡胶其体积是不可压缩的；由于硫化橡胶在使用过程中受到的疲劳破坏、永久变形、老化等原因，其使用寿命也有限。再这种情况下，上述几种缓冲器产品由于都存在着致命的缺

10、点，所以都很难得到推广。为了克服这些传统缓冲器的缺点，我们采用了一种新型缓冲器胶泥缓冲器。胶泥缓冲器克服了液压缓冲器、刚弹簧缓冲器和硫化橡胶缓冲器的缺点，集合了它们的优点，具有特殊的减振缓冲性能和理想的使用寿命。1.2 弹性胶泥缓冲器国内外的研究动态国外对胶泥及其缓冲器的研究始于20世纪60年代,法国Domange-Jarret公司率先推出了以胶泥为主体材料的缓冲产品，JARRET公司的产品容量（所吸收的冲击能量）从0.05 kJ到3000 kJ，行程从1 mm到200 mm。并很快在建筑上、铁路上得到应用，如线路端或维修站的起保护作用的车挡缓冲器、车辆间连接缓冲的车钩缓冲器等。到80年代初，

11、波兰华沙工学院试制出新型的胶泥材料，加快了胶泥缓冲器在铁路车辆上的应用，波兰的KAMAKC公司利用这种材料技术并开发出系列缓冲器产品应用于铁路车辆的缓冲。国际铁路联盟(UIC)在1981年制定了UIC 5261标准，并在1985年进行了修订，规范和批准了用于货车的A、B、C三级胶泥缓冲饼产品，A级容量为30 KJ，B级容量为50 KJ，C级容量为70 KJ，缓冲器的行程为105 mm。国际铁路联盟(UIC)1992年7月又通过了行程为130 mm和150 mm的货车用缓冲饼的生产，并制定了UIC5263标准规范。该系列标准的制定为胶泥缓冲器更广泛的应用奠定了基础，推动了缓冲器在其它车辆的上的应

12、用。 图1-1货车的弹性胶泥缓冲器 图1-2 73ZW型弹性胶泥缓冲器法国的DangeJarret公司为法国先进的高速列车代TGV开发两种型号的胶泥缓冲器，型号分别是BC20S60B和L7AM3，其容量分别达到了62.5KJ和58 KJ。德国的ICE高速列车也使用了胶泥缓冲器，其容量不小于20 KJ。在俄罗斯，全俄铁道科学院牵头进行了胶泥缓冲器的应用研究，并于20世纪90年代初开发了应用于100 t货车的胶泥缓冲器，其容量达到60 KJ，阻抗达2000 kN，能满足车辆15 km/h的调车连挂速度。全俄铁道科学研究院与波兰KAMAKC公司合作开发了用于罐车的73ZW型胶泥缓冲器，容量达到70

13、KJ，行程90 mm。胶泥缓冲器在美国、日本、南非、澳大利亚等国铁路部门也进行了应用研究。胶泥缓冲器以其容量大、阻抗低、结构轻巧、检修周期长以及其特殊的特性曲线特点在铁路车辆上得到重视和推广应用，目前在欧洲铁路使用的胶泥缓冲器产品在50万套以上，检修周期一般在10年以上5。 欧洲国家的胶泥缓冲器生产技术已相当成熟,且胶泥缓冲器已在航空、桥梁、铁路机车车辆、军事和工程机械等领域广泛应用。我国最早在上个世纪80年代进口的军舰上发现胶泥缓冲器，用来缓和舰炮的冲击，后来在进口汽车上也发现这种胶泥缓冲器。1988年机电部上海材料研究所受机电部一重厂委托承担了胶泥缓冲器这种新技术产品的消化吸收，并开发出了

14、型号521、522、307等几个型号的缓冲器产品，其中最大的容量已达到20 KJ，阻抗力仅670 KN，行程仅45 mm。后来该单位还陆续研制了用于雷达和坦克的胶泥缓冲器，取得了较好的应用效果45。在冶金行业目前批量使用着胶泥的缓冲器和缓冲饼产品，北京的冶金自动化研究院批量的生产用于冶金机械的各类缓冲产品，在胶泥缓冲器技术上有一定的积累。铁道部从上个世纪的80年代末开始关注该项技术，并对该技术研究提供了专项技术资金资助，1989年铁道部科技司以资助性开发课题形式下达任务，由原铁道部四方车辆研究所承担客车胶泥缓冲器研制。到1994年10月，四方所开始与波兰的KAMAKC公司以及波兰的华沙铁道科学

15、院进行胶泥缓冲器方面的技术交流，上世纪90年代末四方所与KAMAKC公司加强了技术合作并成立合资公司，专门开发铁路用车钩缓冲器，推出了几个型号产品进行试验和试用，目前仍在装车试用和效果考核中，由于核心技术仍然由外方掌握，并未进行转让，所以致使胶泥产品的研制开发的进展较慢8。1.3研究的目的与意义运输作为我国经济发展的重要支柱，其中车辆的作用是必不可少的，在车辆重载时，物资可能会受到多个方向的冲击。这些冲击会对车辆上的物品造成一定得损失，同时也会对车辆的一定重要部件造成冲击，使得车辆运输中的安全问题捉襟见肘。这些都使得增强车辆的缓冲性能成为一个迫切、困难的任务。为了解决这一难题，我们设计了新型的

16、胶泥缓冲器。而胶泥缓冲器正是一种对速度反应比较灵敏的设备，能够吸收、衰减振动和冲击的能量，从而减小结构的动力反应，减弱节点的局部受力，达到保护受力设备的目的。因此，胶泥缓冲器是机械工程和空间结构中很有应用价值的缓冲元器件之一。所以本论文从胶泥缓冲器的工作原理和结构开始研究，在ANYSY软件平台上对弹性胶泥缓冲器结构进行有限元建模，并对结构进行应力分析，分析结构的薄弱环节，对结构设计进行验证校核，进而优化缓冲器的结构，设计出更加理想的缓冲器产品。1.4 弹性胶泥缓冲器 1.4.1 胶泥缓冲器的工作特性研究波兰的KAMAKC公司将其胶泥缓冲饼和传统性缓冲饼装在重80t的车辆上左冲撞试验（80t对8

17、0t），试验发现在58 km/h的速度下，传统性的缓冲饼的行程已到极限，而弹性胶泥缓冲饼大约在15 km/h的速度下才到极限，显然弹性胶泥缓冲饼对车辆的保护会比传统性的缓冲饼好。修理厂的资料表明：95的车辆端梁破坏事故发生在装有传统性的缓冲饼的车辆上，只有5发生在装有弹性胶泥缓冲饼的车辆上。并且试验表明在-40和+50范围内，弹性胶泥缓冲饼作用可靠。同时还检验了弹性胶泥缓冲饼的耐久性，试验发现缓冲饼的接受容量至少达到容量的80。俄罗斯铁道部门对KZE-5-C型胶泥缓冲器进行了初步试验研究。在车辆以不同方式冲撞，车辆上以不同方式配置胶泥缓冲器的情况下，试验结果表明，无论在平稳性和吸收能量方面，还

18、是在冲击力和加速度的大量减小方面，弹性胶泥缓冲器均优于摩擦式缓冲器。1991年俄罗斯研制了一种胶泥缓冲器，该缓冲器10-15年免修，总的使用寿命30-32年。试验时用总重100t的车辆以15 km/h以下的速度冲撞时，车辆和其运送的货车均能受到保护5。1.4.2 胶泥缓冲器的模型 胶泥缓冲器是将具有粘弹性、流动性和体积可压缩性的胶泥置于密闭容器中，用一定的机械结构来实现其减震、平衡、缓冲功能。缓冲器采用不同的结构和材料，可以满足不同的工作需要。既可以设计成粘弹型的缓冲器，也可以设计成粘滞型的缓冲器，还可以设计成弹性缓冲器。胶泥缓冲器工作原理是：将弹性胶泥材料装进一个能够承受一定压力的缓冲器活塞

19、缸体内，根据实际应用的需要增加一定的预压缩力，当弹性胶泥缓冲器活塞柱受到一定的压力(静压力或冲击力)时，活塞利用活塞缸内节流孔或节流间隙以及弹性胶泥材料本身体积被压缩后反作用力产生一定的阻抗力。当弹性胶泥材料受到的预压缩力越大和活塞的运动速度越快，则产生的阻抗力也越大，这有利于提高缓冲器在大冲击下的容量。当缓冲器的活塞被压缩后，缓冲器体内的弹性胶泥处于压缩状态，当作用在活塞柱上外力撤消后，弹性胶泥的体积则会自行产生膨胀，将活塞推回到原始位置，在这个过程中弹性胶泥材料以较慢的速度通过节流孔或节流间隙流回原位，这样就实现了缓冲器的回程运作。 图1-3单出杆式胶泥缓冲器 图1-4双出杆式胶泥缓冲器根

20、据不同配方配制的胶泥，所具有的黏性、弹性、蠕变与松弛等特性均不同。由于胶泥材料的多变性，以及胶泥缓冲器结构的多样性(通常是单出杆和双出杆两种，见图1-3和图1-4)，胶泥缓冲器的工作特性就不同。单出杆式的胶泥缓冲器大多是粘弹型缓冲器，双出杆式缓冲器多是粘滞性的缓冲器。1.5 有限元法与ANSYS软件概述1.5.1 有限元方法概述有限元法（Finite Element Method）简称FEM，作为求解数学物理问题的一种数值方法，已经历了60余年的发展。经过半个多世纪的发展，FEM已从弹性力学平面问题、板壳问题，从静力学问题扩展到动力学问题、稳定问题和波动问题，从线性问题扩展到非线性问题；从固体

21、力学扩展到流体力学、传热学、电磁学等其他连续介质领域；从物理场计算扩展到物理场的耦合计算。它经历了从低级到高级、从简单到复杂的发展过程，目前已成为工程计算的最有效的方法之一。有限元法的主要优点为：物理概念清晰；可以从不同的水平建立对该法的理解；适应性强、应用范围广；已经出现了许多大型的结构分析通用程序，可以直接应用。FEM的研究热点目前表现在两个方面：超收敛应力计算和有限元模型修正技术。有限元方法的实质是用有限个单元体的组合代替连续体，化无限自由度问题为有限自由度问题；是用有限子域的组合代替一个连续体，化连续场函数的微分方程求解问题为有限个参数的代数方程求解问题。对于大多数形状和边界条件复杂的

22、工程问题，要想获得问题的解析解答是不可能的，只能寻求各种近似的数值方法，而有限元方法是一种行之有效的数值分析方法。在使用有限元方法对所要研究的连续体进行计算分析时，要将研究的连续体划分为若干个有限个大小的子区域，即有限元。在对单元进行分析时，首先架订单员内部唯一为节点位移的简单函数。建立单元节点位移和节点之间力的关系，其次将这些单元组合成为整体。引入边界条件，通过求解整体节点力和节点位移关系的代数方程组，最终得到连续体咋离散点处未知量的解答。1.5.2 ANSYS概述 ANSYS软件是大型通用有限元分析软件。由于有限元法具有精度高，适应性强以及计算机格式规范等优点，股在短短的50多年时间已经应

23、用于机械、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展和软、硬件件环境的不断完善以及计算机及和计算机工作站的逐步普及，为ANSYS的推广应用创造了更为良好的条件，并展示出更为广阔的工程应用前景。 ANSYS分析过程中包含三个主要的步骤：(1)创建有限元模型，其中包括创建或读入几何模型、定义材料属性和划分网格。(2)施加载荷及载荷选项、设定约束条件并求解。(3)察看分析结果及检验结果。具体如图所示。1.6 论文主要工作 本文主要研究的是用于某车辆的胶泥缓冲器，主要是运用有限元分析软件ANSYS对缓冲器的结构进行有限元建模，并

24、对建立的有限元模型进行应力应变计算，根据分析结果对缓冲器结构设的计进行校核。2. 胶泥缓冲器的结构和工作原理2.1胶泥缓冲器的结构胶泥缓冲器是一种优化的粘滞流体阻尼器，是将粘性阻尼材料用粘弹性可压缩的胶泥替代，一般有缸体、活塞、阻尼孔、阻尼材料和活塞杆等部分组成，活塞在缸体内作往复运动，缸体内装满阻尼材料，当活塞与缸体之间发生相对运动时，由于活塞前后的压力差使阻尼材料从阻尼孔（环）中通过，从而产生阻尼力。但是适用于冲击环境下的胶泥缓冲器与用于车辆、桥梁和地铁等的缓冲器有所不同，它所承受的冲击速度较大而阻尼力较小，所以其结构形式不可以照搬现有的胶泥缓冲器结构，其具体构造形式参考现有的结构，根据阻

25、尼材料和缓冲器的指标要求选择。已有的阻尼器的构造形式很多，不同的工程需求有不同的结构。粘滞流体阻尼器根据其运动方式可分为两类：一类是平动阻尼器，如板式、锥体式和活塞式；另一类是旋转式阻尼器，如曲柄减振器、叶轮式减振器、活塞式减振器等。根据项目的需要，这里仅研究平动阻尼器。对于平动阻尼器的构造形式选择的范围也很大,有阻尼壶式、阻尼墙式、阻尼缸式和阻尼孔式，阻尼墙式、阻尼壶式的阻尼器工作行程通常比较小，而结构比较庞大；阻尼缸式阻尼器通常用于阻尼力比较大的单方向工作的情况，也可以通过机械装置制作双向阻尼器，这时的装置容易出现卡死的现象，所以目前使用不是很多；阻尼孔式使用最为广泛，这类阻尼器在密闭容腔

26、内装满粘弹性流体阻尼材料，当活塞相对缸体移动时，迫使阻尼材料流过阻尼孔产生阻尼12。1. 单出杆式粘滞流体阻尼器的构造形式通常有单出杆式和双出杆式。常见的粘滞阻尼器的单出杆式阻尼器有两种基本形式。第一种是在缸体上附加一个容腔，如图2-1所示，活塞与缸体内壁简密封，在缸体与附加容腔之间以小阻尼孔相连，附加容腔内的阻尼介质不可充满(留有适当的空间)，当活塞运动时，阻尼介质流过两个小阻尼孔，提供非线性阻尼，两腔间的容积差有附加容腔的剩余空间来调节。这种阻尼器由于附加容腔内留有一定的空间,故其安装的位置受到限制(多为水平安装),且加工较为复杂,因此不适合于大型结构的防护。 1阻尼孔2主容腔3活塞4缸壁

27、5附加容腔图2-1加容腔式阻尼器 第二种是在单出杆大阻尼器，结构简单，对活塞密封性的要求也不高，直接将胶泥装入缸体内部，通过对胶泥的挤压吸收或释放弹性势能，并且这种阻尼器在一定的行程范围内提供较大的阻尼，由于此类型的阻尼器结构简单，易于加工批量生产，合适我们所研究得车辆使用。如图2-2，图2-3，图2-4。 图2-2单出杆孔隙式阻尼器 图2-3单出杆间隙式阻尼器图2-4单出杆组合式阻尼器2. 双出杆式双出杆式和单出杆式的结构和原理基本相同，唯一不同的是：双出杆式的工作方向是双向的，双出杆式占用的工作空间要比较大。由于我们研究的车辆缓冲器受到但方向的压力，同时为了节省空间，我们选用但单出杆式。对

28、于单出杆式阻尼器，根据产生阻尼的方式不同，可将其分为间隙式、空隙式和组合式三种形式。 (1)间隙式：活塞和阻尼容积缸壁之间保持一定的间隙，即所谓的阻尼环。当活塞相对于缸体运动时，由通过间隙的阻尼介质的流动阻尼产生阻尼。如图2-5所示。 图2-5双出杆间隙式阻尼器 (2)孔隙式：活塞和缸壁之间密封，活塞上开有一定尺寸和数量的小孔。当活塞相对于缸体运动时，阻尼材料流过小孔产生阻尼。如图2-6。 图2-6双出杆孔隙式阻尼器胶泥材料的粘性比较高，流动性比较差，如果采用孔隙式缓冲器则相应的结构很大才可能允许胶泥流过。这样使得缓冲器的阻尼作用大大降低，如果采用间隙式缓冲器则在回程过程中胶泥不能比较快的流回

29、，其适用性也大大降低，所以胶泥缓冲器的阻尼形式通常采用组合式。构造形式可以是单出杆式和双出杆式。由于考虑到车辆上所用的胶泥缓冲器所受到的力是单方向的，同时为了结构简单、紧凑，缓冲器所占用的空间尽量小，所以，我们选用的胶泥缓冲器结构为单出杆式组合式阻尼器。如图2-4所示。2.2胶泥缓冲器的参数2.2.1 阻尼力的确定阻尼力的大小，不仅与缓冲器结构和工作原理有关，而且直接关系到车辆的装备质量、车辆及零部件的结构强度和使用寿命、整车的稳定性和安全性。阻尼力过大，则车辆在运行过程中，平衡肘与缓冲器碰撞的冲击力过大，就会影响叶片式减振器的运行，会使减振器的连杆受力和摇臂弯曲变形，甚至断裂；阻尼力过小，则

30、过多的力由减振器承担，会使减振器的连杆受拉变形。因此设计合理的缓冲器参数是很有必要的。缓冲器的选择需要考虑两方面。其一，缓冲器额定阻尼力强度通常比撞击物略低的原则；其二，缓冲器阻尼力以某速度冲击时不低于规定阻尼力的原则14。根据上述原则，确定缓冲器的阻尼力为7500N。2.2.2冲击速度的确定随着车辆的提速、载荷的增加以及行驶路面的更加复杂，缓冲器工作的机会越来越多，对可靠性越来越高，冲击速度是影响可靠性的重要指标。因此考虑缓冲器在设计中，冲击速度对性能的要求要与容量、阻尼力相匹配。参考美国和俄罗斯的相关标准，参照我国铁路缓冲技术要求，结合机车车辆缓冲器通用技术条件与机车车辆缓冲器落锤和冲击试

31、验方法，普通货车用胶泥缓冲器的冲击速度不大于2.5m/s。这里选择胶泥缓冲器的冲击速度为1.5m/s14。2.2.3行程的确定 缓冲器的行程既受到容量的影响，同时也受到在车体上安装空间的限制。行程定为50mm。2.2.4能量吸收率的确定 粘弹性胶泥材料引入缓冲、减振设备的主要目的是利用粘弹性材料的损耗特性将输入的振动能消耗掉一部分，减少输出，从而达到良好地缓冲减振的目的。所以对于胶泥材料，感兴趣的是单位时间内耗散的能量。并且胶泥属于粘弹性非牛顿流体，配方不同，材料的粘弹性就不同12。 胶泥缓冲器的能量吸收率是缓冲器在一次冲击中消耗的能量与接受的能量的比值，缓冲器吸收率的大小表示其衰减冲击动能的

32、能力。缓冲器的吸收率为阻尼耗能和弹性耗能之和与总能量的比值。一般是越大越好，城市轨道车用缓冲器吸收率以80%左右为最佳值14。 胶泥缓冲器参数要求： 缓冲器行程：50 mm 最大动阻尼力： 7500 N 冲击速度：1.52 m/s 能量吸收率：7080%所以，根据单向缓冲器行程为50 mm的要求，选择单出杆式的结构形式。单出杆式的结构形式和组合式产生阻尼的方式，要求本课题研究的胶泥缓冲器的结构形式选择为如图2-7所示。 图2-7胶泥缓冲器结构形式2.3 胶泥缓冲器的工作原理胶泥缓冲器主要由活塞和活塞杆、缸盖、缸体、充料阀等组成，将弹性胶泥装入密闭容器中，根据需要使之产生一定的预压力。其工作过程

33、分为压缩阶段和恢复原阶段：当活塞柱受到的外压力小于预压力时，活塞柱静止不动；当外压力大于预压力时，活塞柱向容器内移动，部份活塞柱进入容器内，此时弹性胶泥被压缩，体积缩小，并对活塞柱产生一定反作用力，直至与外压力相等，在这一过程中由于活塞的环形间隙(或节流孔)的节流作用和弹性胶泥材料的压缩变形吸收冲击能量，摩擦部分将冲击能量的部份以摩擦热和弹性体组成阻尼耗能的形式消耗掉，弹性胶泥接收部分外力动能并转化为胶泥的弹性势能；剩余部份则转化为弹性体组成的弹性势能；由于胶泥材料的特性，当弹性胶泥的预压力和活塞的运动速度越大，阻抗也就越大，这有利于提高缓冲器在大冲击下的容量，即冲击越大，缓冲器的容量就越大；

34、冲击小，缓冲器的容量就越小。在恢复阶段中，弹性体组成将所吸收的能量释放出来，其中一部分又以摩擦热和弹性体组成阻尼耗能的形式散失掉，当外力减小或撤消后，弹性胶泥自行体积膨胀，将活塞推回原位。在这个过程中弹性胶泥材料以较慢的速度通过活塞的环形间隙(或节流孔)流回原位，实现缓冲器的回程动作。缓冲器性能是否优良，主要看性能参数是否与车辆的使用要求相匹配，能否最大限度地降低车辆垂直方向上的加速度和动行程1。3.胶泥缓冲器结构的建模及分析3.1缸体的建模及分析3.1.1 缸体的数据及实物图缸体数据：缸体外径：Do60mm，器缸体的厚度10.5mm，缸体的总长度l=140mm3.1缸体实物图3.1.2对缸体

35、建模由于缸体的结构比较简单，所以其建模也比较简单。打开ANSYS软件，新建文件并将其命名为file.gt。 图3.2建立文件名 GUI: Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions 图3.3输入数据图框图3.4初步模型图3.5数据输入图框GUI：Main MenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolumes运用布尔运算，先选取大圆柱，单击“OK”，再选取小圆柱单击“OK”，就可得到缸体模型。3.6缸体模型3.1.3定义材料常数材料特性设置：GUI：Main

36、 MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Model,在定义材料特性对话框的Material Model Avaliable栏内先后双击“Strutural”、“Linear”、“Elastic”、“Iisotropic”，弹出输入框。输入EX的值为2.06e8，PRXY的值为0.27，按“OK”设置材料属性，如图3.7所示。 图3.7设置材料模型对话框3.1.4 划分单元 （1） 定义单元类型GUI：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete选取Add，增加单元类型。选取Structural Soli

37、d单元系列中的单元，如图3.8所示，并按“OK”关闭对话框。图3.8单元类型选择对话框（2）划分网格 GUI：Main MenuPreprocessorMesh Tool，弹出的对话框如图3.9所示。选取智能网格划分，移动滚动条，将其显示数字调整为4，单击“Mesh”按钮。在随后的拾取对话框中按“Pick All”选择要划分的面。然后关闭对话框。网格划分结果如图3.10。图3.9网格划分工具图3.10缸体网格划分图3.1.5施加约束根据缓冲器所受的最大压力和活塞的有效受力面积可以计算出缸体内部压强：P=7.09Mpa。由于薄壁圆筒受内压时，环向应力是轴向应力的两倍，所以用环向应力检验缓冲器缸壁

38、的强度。根据公式计算环向应力为：12.83MPa。（1）在缸体底部施加位移约束（UZ=0）GUI：Main MenuSolutionApplyStructuralDisplacementAreas 鼠标拾取缸体底表面，单击“OK”,在弹出的对话框中选取“UZ”如图3.11。图3.11施加Z轴方向的约束（2）施加载荷GUI：Main MenuSolutionDefineApplePressureOn Areas,鼠标拾取内圆，及底面，单击“Apple”，在随后弹出的对话框中输入Value：7090，如图3.12。图3.12施加载荷对话框3.1.6 提交计算GUI：Main MenuSolutio

39、nSolveCurrent LS单击“OK”按钮，关闭由于单元形状检查而出现的警告信息。求解结束后关闭信息窗口。3.1.7 后处理1 绘制变形图GUI：Main MenuCeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话框，如图所示。图3.13选取变形图形对话框在Item to be contoured （等值线显示结果项）域中选择DOF solution（自由度解）选项。（1）在列表框中选择X-Component of displacement （X向位移

40、）选项，单击OK按钮，在图形窗口中显示出变形图，包括变形前的轮廓线，如图3.14所示，图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值（带符号）。图3.14 X轴方向变形图（2）在列表框中选择Y-Component of displacement （Y向位移）选项, 单击“OK”按钮,如图3.15。图3.15 Y轴方向变形图（3）在列表框中选择Z-Component of displacement （Z向位移）选项, 单击“OK”按钮,如图3.16。图3.16 Z轴方向变形图2 等效应力（von Mises）图 GUI：Main MenuCeneral PostprocPlot ResultsConto

41、ur PlotNodal Solu选择Stress, 打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话框，如图3.17所示。图3.17选取等效应力图对话框（1）在列表中选择X-Component of stress （X方向应力）选项，选择性Deformed shape only （仅显示变形后的模型）单元选择按钮，单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向（径向）应力分布图，如图3.18所示。图3.18 X轴方向应力图（2）在列表中选择Y-Component of stress （Y方向应力）选项，单击OK按钮，图形窗口中显示出Y方向（径向）应力分布图，如图3

42、.19所示。图3.19 Y轴方向应力图（3）在列表中选择Z-Component of stress （Z方向应力）选项，单击OK按钮，图形窗口中显示出Z方向（径向）应力分布图，如图3.20所示。图3.20 Z轴方向应力图3 应变图GUI：Main MenuCeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话框，如图所示。图3.21选取应变图对话框在Item to be contoured （等值线显示结果项）域中选择Total Strain（总应变）选项。（1

43、）在列表中选择X-Component of total strain （X方向总应变）选项。选择Deformed shape with undeformed edge（变形后和未变形轮廓线）单选按钮。单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向总应变分布图，如图3.22所示。图3.22 X轴方向应变图（2）在列表中选择Y-Component of total strain （Y方向总应变）选项。单击OK按钮，图形窗口中显示出Y方向总应变分布图，如图3.23所示。图3.23 Y轴方向应变图（3）在列表中选择Z-Component of total strain （Z方向总应变）选项。单击OK按钮，图形窗

44、口中显示出Z方向总应变分布图，如图3.24所示。图3.24 Z轴方向应变图3.1.8 分析结果结果显示，最大位移出现在缸体外表面，其值为0.0590.068mm，最大应力出现在缸体底部以上，其值为27.52732.756Mpa,40Cr作为其材料，其屈服极限=785 Mpa21，装配时不要求严格控制预紧力，按1暂取安全系数S6，则求得的许用应力为：=，由此可知在阻尼力达到最大时缸体的最大应力小于许用应力，故其结果结构设计较为合理。3.2 活塞和活塞杆的建模及分析3.2.1活塞和活塞杆的数据活塞的数据：直径d=12mm,长度l=104mm；活塞数据：活塞直径d=38mm，厚度l=20mm，回流孔

45、直径d=4mm，回流空域与活塞的中心距d=12mm3.25活塞杆实物图3.26活塞实物图3.2.2对活塞和活塞杆建模打开ANSYS软件，新建文件并将其命名为file.hc图3.27建立文件图框（1）建立活塞杆模型 GUI: Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions图3.28活塞杆数据输入图框单击“Apple”建立活塞杆模型。3.29活塞杆模型（2）建立活塞模型 GUI: Main MenuPreprocessorModelingCreateVolumesCylinderBy Dimensions图3.30活塞

46、数据输人图框单击“Apple”建立活塞模型。图3.31初步模型（3）设置工作平面GUI:WorkplaceWP Setting弹出图3.32对话框，按图是设置对话框，单击“OK”图3.32设置工作面图框GUI:WorkplaceDisplay Working Plane,工作平面显示，如图3.33.图3.33显示工作平面（4） 移动工作平面GUI:WorkplaceOffset WP toKeypoints +,选择活塞端面上的点，如图3.34所示，单击“OK”移动工作平面。图3.34选取关键点图3.35移动后的工作平面（5） 在活塞上减出回流孔在活塞上作出六个圆柱：GUI：Main Menu

47、PreprocessorModelingCreateVolumesCylinder，依次在活塞上做6个圆柱体。3.36在活塞上做圆柱运用布尔运算减掉活塞上的圆柱：GUI：MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansSubtractVolumes，先选取活塞单击“OK”,然后再选取活塞上的六个圆柱，单击“OK”。（6） 粘结所有体GUI：MainMenuPreprocessorModelingOperateBooleansAddVolumes选取活塞和活塞杆，单击“OK”。最后所得活塞活塞杆模型如图图3.37活塞和活塞杆模型3.2.3定义材料常数材料特性

48、设置：GUI：Main MenuPreprocessorMaterial PropsMaterial Model,在定义材料特性对话框的Material Model Avaliable栏内先后双击“Strutural”、“Linear”、“Elastic”、“Iisotropic”，弹出输入框。输入EX的值为2.06e8，PRXY的值为0.27，按“OK”设置材料属性，如图3.38所示。3.38设置材料模型对话框3.2.4 划分单元（1） 定义单元类型GUI：Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete选取Add，增加单元类型。选取Struc

49、tural Solid单元系列中的单元，如图3.39所示，并按“OK”关闭对话框。3.39单元类型选择对话框（2）划分网格 GUI：Main MenuPreprocessormesh tool，弹出的对话框如图3.40所示。选取智能网格划分，移动滚动条，将其显示数字调整为8，单击“Mesh”按钮。在随后的拾取对话框中按“pick all”选择要划分的面。然后关闭对话框。网格划分结果如图3.41。3.40划分工具图框3.41活塞和活塞杆网格化分图3.2.5施加载荷根据缓冲器所受的最大压力和活塞的有效受力面积可以计算出缸体内部压强：P=7.09Mpa。由于薄壁圆筒受内压时，环向应力是轴向应力的两倍

50、，所以用环向应力检验缓冲器缸壁的强度。根据公式计算环向应力为：12.83MPa。（1）在活塞杆端部施加位移约束（UZ=0）GUI：Main MenuSolutionApplyStructuralDisplacementAeeas 鼠标拾取活塞杆端面，单击“OK”,如图3.42。图3.42施加约束对话框（2）施加载荷GUI：Main MenuSolutionDefineApplePressureOn Areas,鼠标拾取内圆活塞端面，单击“Apple”，在随后弹出的对话框中输入Value：7090。继续拾取活塞上的面如图3.43所示，单击“OK”，在弹出的对话框中输入Value：12830,图3

51、.43拾取受力面图框3.2.6 提交计算GUI：Main MenuSolutionSolveCurrent LS单击“OK”按钮，关闭由于单元形状检查而出现的警告信息。求解结束后关闭信息窗口。图3.44求解图3.2.7 后处理1绘制变形图GUI：Main MenuCeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话框，如图3.45所示。图3.45选取变形图对话框在Item to be contoured （等值线显示结果项）域中选择DOF solution（自

52、由度解）选项。（1）在列表框中选择X-Component of displacement （X向位移）选项，单击OK按钮，在图形窗口中显示出变形图，包括变形前的轮廓线，如图3.46所示，图中下方的色谱表明不同的颜色对应的数值（带符号）。图3.46 X轴方向变形图（2）在列表框中选择Y-Component of displacement （Y向位移）选项, 单击“OK”按钮,如图3.47。图3.47 Y轴方向变形图（3）在列表框中选择Z-Component of displacement （Z向位移）选项, 单击“OK”按钮,如图3.48。图3.48 Z轴方向变形图2等效应力（von Mises

53、）图 GUI：Main MenuCeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu选择Stress, 打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话框，如图3.49所示。图3.49选取等效应力图对话框（1）在列表中选择X-Component of stress （X方向应力）选项，选择性Deformed shape only （仅显示变形后的模型）单元选择按钮，单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向（径向）应力分布图，如图3.50所示。图3.50 X轴方向应力图（2）在列表中选择Y-Component of

54、 stress （Y方向应力）选项，单击OK按钮，图形窗口中显示出Y方向（径向）应力分布图，如图3.51所示。图3.51 Y轴方向应力图（3）在列表中选择Z-Component of stress （Z方向应力）选项，单击OK按钮，图形窗口中显示出Z方向（径向）应力分布图，如图3.52所示。图3.52 Z轴方向应力图3 应变图GUI：Main MenuCeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal Solu，打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话框，如图3.53所示。图3.53选取应变图对话框在Item

55、 to be contoured （等值线显示结果项）域中选择Total Strain（总应变）选项。（1）在列表中选择X-Component of total strain （X方向总应变）选项。选择Deformed shape with undeformed edge（变形后和未变形轮廓线）单选按钮。单击OK按钮，图形窗口中显示出X方向总应变分布图，如图3.54所示。图3.54 X轴方向应变图（2）在列表中选择Y-Component of total strain （Y方向总应变）选项。单击OK按钮，图形窗口中显示出Y方向总应变分布图，如图3.55所示。图3.55 Y轴方向应变图（3）在列

56、表中选择Z-Component of total strain （Z方向总应变）选项。单击OK按钮，图形窗口中显示出Z方向总应变分布图，如图3.56所示。图3.56 Z轴方向应变图3.2.8 分析结果结果显示，最大位移出现在活塞外表面，其值为0.408140.48001mm，最大应力出现在活塞中心部分，其值为4.58112.636Mpa,40Cr作为其材料，其屈服极限=785 Mpa21，装配时不要求严格控制预紧力，按1暂取安全系数S6，则求得的许用应力为：=，由此可知在阻尼力达到最大时缸体的最大应力小于许用应力，故其结果结构设计较为合理。4.总结本文主要是对弹性胶泥缓冲器的结构建模并进行了有

57、限元分析，首先介绍了目前国内外对胶泥缓冲器的研究和研究成果，同时介绍了国内外市场上各种优秀的胶泥缓冲器和缓冲饼等，接着讨论了胶泥缓冲器的结构性能，以及相比其他类型的缓冲器产品的优点，分析了弹性胶泥缓冲器已有的结构形式，总结了其优点和缺点,在此基础上，根据胶泥缓冲器的规格要求和胶泥材料的特性，选择了单出杆组合式的结构形式。并分别对缸体和活塞活塞杆建模，然后对其进行有限元分析，得到变形图、应力图、应变图，分析缸体、活塞及活塞杆结构设计中可能存在的不合理的地方，对弹性胶泥缓冲器结构的设计进行校核。参考文献1 朱闰平、杨军. 弹性胶泥的特性及其减震器的工作原理. 橡胶工业 2005, 07：427-4

58、292 郑 华,潘安徽,吴智强 弹性胶泥的应用及其特性研究 特种橡胶制品 2007，02：28-313 傅永华 有限元分析基础. 武汉市：武汉大学出版社.20034 曾攀 有限元分析及应用. 北京市：清华大学出版社.20045 李克兴 林 乐 弹性胶泥缓冲器试验研究情况 铁道车辆 1996，10：23-246 李克兴、戴家骥 弹性胶泥减振器在国内外的研究和应用(上) 铁道车辆1995，06：32-357 李克兴、戴家骥 弹性胶泥减振器在国内外的研究和应用(下) 铁道车辆1995，07：17-38tie, 07-8 张友南,黄友剑,陈忠海 弹性胶泥车钩缓冲器的研究和应用进展 特种橡胶制品2001

59、，04： 57-599 朱闰平，杨军 缓冲减振用弹性胶泥阻尼材料10 .,等(俄) 俄罗斯货车用弹性胶泥缓冲器的研究11 沈大庆 机车车辆车钩缓冲器初压力探讨12 何庆机械制造专业毕业设计指导与范例 北京：化学工业出版社，2007，1613 曹大鹏 活塞加工生产计划与生产调度的研究 硕士学位论文 山东：山东大学2004年14 贾九红 胶泥缓冲器的耗能机理研究与设计 博士学位论文. 上海：上海交通大学, 200715 贾九红.胶泥缓冲器的耗能机理研究与设计D. 上海交通大学,200716 兰春亮 胶泥缓冲器在某车辆悬挂系统内的应用研究 硕士学位论文 太原 中北大学 200817 杜利清 城市轨道

60、车用弹性胶泥缓冲器及其应用 ， 2008-12-2418 赵旭东 活塞加工工艺流程和生产模式的研究及应用 硕士学位论文 山东：山东大学19 刘鸿文 材料力学 北京：高等教育出版社，2004.1，20 王爱玲 现代数控编程技术及应用 北京：国防工业出版社，2007.9，21 成大先 机械设计手册 北京：化学工业出版社，2008.1，22 张云英 涂佑青 最新实用金属材料手册 北京：江西科学技术出版社，1999.1，23 江克斌 屠义强 邵 飞 结构分析有限元原理及ANSYS实现 国防工业出版社 2005.3致 谢毕业设计是我们在大学的最后一个任务，这次设计是在我的导师彭彬彬的亲切关怀和悉心指导下完成的。是对我在大学四年来所学的理论知识的一个综合运用总体回顾。这次毕业设计给我提供了一次绝好的机会；从毕业设计开始的那天起，我就本着严肃认真、实事求是的科学态度和勤勤恳恳的敬业精神，对自己负责，给老师交上自己较为满意的大学期间最后的一份答卷的打算，从查阅中外文资料起，一点一滴的认真去做，从自己