高 勇，張海波

橡膠粒-鋁板減震器沖擊建模仿真與優(yōu)化

高 勇，張海波

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

橡膠粒-鋁板減震器應(yīng)用于多種受瞬時(shí)沖擊較大的電池模塊減震裝置。本文通過有限元法，對(duì)自主設(shè)計(jì)的橡膠-鋁板減震器在300 g加速度沖擊、正弦衰減沖擊情況下的橡膠和鋁板損壞的計(jì)算分析與建模，對(duì)減震器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并提供可行的改進(jìn)參考方案。

減震器 超彈性材料

0 引言

橡膠-鋁板減震器被廣泛應(yīng)用于多型特種電池減震裝置，但在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，由于電池系統(tǒng)所受沖擊較大（≥300 g），會(huì)對(duì)減震器造成永久性破壞，直接影響電池性能[1]。通過試驗(yàn)驗(yàn)證方式進(jìn)行優(yōu)化，耗時(shí)較長(zhǎng)，且成本高昂，故團(tuán)隊(duì)擬采用建模仿真的方式，對(duì)減震器進(jìn)行初步優(yōu)化設(shè)計(jì)。使用ansys workbench進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)整套模型網(wǎng)格劃分復(fù)雜，計(jì)算時(shí)間過長(zhǎng)，故在仿真軟件建模的同時(shí)，本論文采用試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量和自主有限元法建模仿真的方式進(jìn)行優(yōu)化分析。

1 方法

減震器中單片減震板如圖1所示，圖中A所示黑點(diǎn)為橡膠粒，B所示銀色部位為鋁板,實(shí)際減震裝置由多片串聯(lián)組成。受到?jīng)_擊時(shí)，通過鋁板上大量的橡膠粒緩沖起到減震效果。

本論文中橡膠粒相關(guān)數(shù)據(jù)通過試驗(yàn)測(cè)定，在仿真過程中，各時(shí)刻所需數(shù)據(jù)通過拉格朗日插值，結(jié)合實(shí)際形變計(jì)算得到，如公式（1）、（2）所示：

1.1 減震器原理模型

由于裝配體結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，直接用ANSYS WORKBENCH建模對(duì)工作站硬件要求較高且每次運(yùn)算耗時(shí)過長(zhǎng)。故選擇借鑒彈簧振子模型（如圖2）將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。圖中橡膠粒為ki，mi為鋁板，xi為各時(shí)間步長(zhǎng)下的橡膠形變[2]。

圖1 單片減震板示意圖

圖2 彈簧振子串聯(lián)模型

此處基于以下原因未考慮彈簧振子并聯(lián)模型：1）簡(jiǎn)化后運(yùn)用matlab仿真模型為1維模型，若考慮并聯(lián)情況，結(jié)構(gòu)需改為2維，且需模擬壓力的面分布，將大幅增加運(yùn)算時(shí)間；2）并聯(lián)模型彈簧的彈性總體彈性系數(shù)減小，更利于力的傳遞，使鋁板所受壓力也相應(yīng)減小，仿真結(jié)果偏小，更不容易被破壞；3）串聯(lián)模型施加應(yīng)力為最大加速度時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，即真實(shí)裝配體靠近軸線位置橡膠所受應(yīng)力，如果此處橡膠未被破壞，其他位置的橡膠也不會(huì)被破壞。結(jié)合以上三點(diǎn)，我們認(rèn)為彈簧振子串聯(lián)模型可行。

將負(fù)載加速度改為衰減波形，無阻尼自然頻率為pi/0.5，衰減系數(shù)為0.05，衰減加速度波形見圖3。

圖3 負(fù)載加速度

由于沖擊時(shí)間為1 ms，單個(gè)橡膠重量為0.3 g，故所有數(shù)據(jù)在模擬時(shí)需做無量綱化，以保證矩陣可逆。

1.2 橡膠模型

在參考模型的基礎(chǔ)上我們針對(duì)非線性彈性材料橡膠粒做了壓力與形變測(cè)試試驗(yàn)以提高仿真精度[3]，原理如圖4所示。

圖4 橡膠壓力與形變測(cè)試原理

其實(shí)驗(yàn)室壓縮測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 橡膠壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，在剔除偏差值等步驟后，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)結(jié)束，根據(jù)橡膠的壓縮量，通過拉格朗日插值法，即公式（1），更新當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)下每個(gè)橡膠的彈性系數(shù)?？紤]鋁的屈服極限為90 MPa，在仿真計(jì)算時(shí)當(dāng)橡膠應(yīng)力大于90 MPa時(shí)，設(shè)定鋁板已被破壞。

2 結(jié)果

分別模擬70片、100片和138片減震片串聯(lián)，由圖5可看出三次模擬均從自由端開始損壞，越靠近自由端應(yīng)變?cè)酱?，片?shù)越多，產(chǎn)生顯著形變的片越多。

圖5 70、100、138片減震片破損分布

圖6所示為各片數(shù)量情況下的應(yīng)變，無量綱化處理后應(yīng)變超過1.7則鋁板發(fā)生屈服形變。由結(jié)果可見，138片模型情況下約13片鋁板被破壞（實(shí)驗(yàn)結(jié)果為10片）；100片情況下，自由端鋁板接近屈服極限；而70片情況下，無鋁板被破壞，且最大應(yīng)變遠(yuǎn)小于屈服極限1.7。所以仿真結(jié)果表明，若在中間位置加裝擋板，則可避免鋁板被破壞。

圖6 70、100、138片減震片應(yīng)變分布

3 結(jié)論

根據(jù)138片減震片方案試驗(yàn)室沖擊測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果基本一致。實(shí)測(cè)此減震方案鋁板損壞為10片，而仿真計(jì)算則為13片，故仿真結(jié)果具備定性參考價(jià)值。經(jīng)分析，當(dāng)減震片數(shù)量過多時(shí)，隨著沖擊負(fù)載的波動(dòng)，在減震器自由端將產(chǎn)生共振，從而破壞鋁板。故可采用減少串聯(lián)減震片數(shù)量或在數(shù)量較多的減震裝置內(nèi)部增加擋板，使減震裝置分割為若干獨(dú)立串聯(lián)模塊的方式進(jìn)行優(yōu)化。第二方案工程實(shí)測(cè)有效。

[1]蔡年生. 鋁/氧化銀魚雷動(dòng)力電池的安全性分析[J]. 魚雷技術(shù). 1998, (01): 5-9.

[2]李軍強(qiáng), 劉宏昭, 王忠民. 線性粘彈性本構(gòu)方程及其動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究綜述[J]. 振動(dòng)與沖擊. 2005, 24: 116-121.

[3]李樹虎, 賈華敏, 李茂東, 王丹勇. 超彈性體本構(gòu)模型的理論和特種試驗(yàn)方法[J]. 彈性體. 2011, 21（1）: 58-64.

The Analysis and Optimization of the Rubber Particles-Aluminum Plate Shock Absorber

Gao Yong, Zhang Haibo

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TQ336

A

1003-4862（2019）08-0020-03

2019-01-15

高勇（1980-），男，高級(jí)工程師。研究方向：化學(xué)電源。E-mail: 18907120357