新型减振缓冲波形弹簧研究及其有限元分析
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中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 吸能减振业概述................................................................................................ 1
§1.1.1 吸能减振技术发展简介 ..............................................................................2
§1.1.2 吸能减振的技术现状 ..................................................................................6
§1.2 吸能减振包装介绍.......................................................................................... 7
§1.2.1 目前吸能减振包装研究和应用存在的不足 ...............................................8
§1.3 本文研究课题的提出........................................................................................ 9
§1.4 本文主要研究工作和内容............................................................................. 9
第二章 减振缓冲波形弹簧基本理论...........................................................................11
§2.1 弹簧的基本理论........................................................................................... 11
§2.1.1 弹簧的功用和基本性能 ............................................................................ 11
§2.1.2 弹簧的特性线和刚度 ................................................................................12
§2.1.3 弹簧的变形能 ............................................................................................14
§2.2 减振缓冲包装设计原理............................................................................... 17
§2.3 破损边界理论及产品易损度....................................................................... 19
§2.4 屈服准则....................................................................................................... 20
§2.5 波形弹簧的基本理论................................................................................... 21
§2.5.1 波形弹簧的几何描述 ................................................................................21
§2.5.2 波形弹簧有关理论 ....................................................................................22
§2.6 本章小结....................................................................................................... 28
第三章 波形弹簧的参数化建模...................................................................................29
§3.1 参数化设计的概念及特点.............................................................................. 29
§3.2 参数化设计开发原理与思路.......................................................................... 30
§3.3 参数化设计图形设计方法.............................................................................. 31
§3.3.1 参数化模型的建立及参数定义 ................................................................32
§3.3.2 参数取值 ....................................................................................................33
§3.3.3 实体生成与编辑 ........................................................................................34
§3.4 参数化建模实例演示...................................................................................... 36
§3.5 本章小结........................................................................................................ 38
第四章 波形弹簧有限元分析前处理...........................................................................39
§4.1 有限元分析技术............................................................................................... 39
§4.2 波形弹簧有限元分析前处理及其二次开发................................................... 41
§4.2.1 Abaqus 和Python 二次开发接口 .............................................................. 42
§4.2.2 Abaqus 前处理程序的二次开发 ................................................................43
§4.2.3 问题描述 .....................................................................................................43
§4.2.4 详细程序 .....................................................................................................44
§4.2.5 程序运行演示 ............................................................................................46
§4.3 波形弹簧有限元分析的关键........................................................................... 48
§4.3.1 波形弹簧分析的简要步骤 .........................................................................48
§4.3.2 有限元分析各步骤中的注意事项 .............................................................49
§4.4 本章小结........................................................................................................... 50
第五章 波形弹簧性能分析及参数优化.....................................................................51
§5.1 波形弹簧的有限元建模与仿真分析............................................................... 51
§5.1.1 有限元分析建模与参数设置 ....................................................................51
§5.1.2 仿真结果及分析 ........................................................................................53
§5.2 波形弹簧的正交试验分析及参数优化....................................................... 56
§5.2.1 正交试验设计 .............................................................................................56
§5.2.2 波形弹簧的正交试验方案设计 ................................................................56
§5.2.3 波形弹簧正交试验分析 .............................................................................57
§5.2.4 波形弹簧正交试验结论 .............................................................................61
§5.3 本章小结........................................................................................................... 61
第六章 结论与展望.......................................................................................................63
§6.1 结论................................................................................................................ 63
§6.2 展望................................................................................................................ 64
参考文献.........................................................................................................................65
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................69
致 谢...............................................................................................................................70
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 吸能减振业概述
在工业和运输业中广泛采用机器作为原动力，而机械碰撞和振动也成了一个
日益严重难以回避的问题，对吸能减振缓冲的要求也日益迫切，因此，有关吸能
减振技术的理论和研究一直是现代科技发展的一个重大领域。
由于强烈的碰撞和振动严重地危害着工农业等领域的生产和人们的日常生
活，为了避免或减小这些危害，科技人员对各种碰撞、振动进行了大量的研究，
探索出许多简单、有效的吸能减振缓冲设备，例如，在锻锤底座下面衬垫木块，
在机械结构装置中应用阻尼减震器，在车辆座椅上安装软垫等[1]。
轨道交通行业，因其具有方便快速、安全可靠和承载量大等优势特点，在中
国各大城市都得到了优先发展，但是，轮轨之间产生的噪声和振动等都不可避免
地影响沿线居民的生活和工作，这也制约着轨道交通的发展。目前伴随着城市化
进程的快速发展，道路交通逐步从原来的单一地面交通转向多层高架道路等多元
化空间立体交通体系。这一转换促使城市居民密集区、商业中心和工业区交通密
度增大，从而由车辆产生的振动和噪声的影响日趋严重。如日本东京市内的交通
道路已多达6～8层，如图1-1所示，离建筑物最短距离小到只有几米，再加上交通
密度的不断增加，使得振动问题日益彰显。交通荷载引起的结构的振动通过周围
土层向外传播，进一步诱发建筑物的二次振动，对周边建筑物特别是古旧建筑物
的安全、医院手术的质量、精密仪器的制造和使用以及居民的日常工作和生活产
生了很大的影响。过量的噪声和振动将严重影响人们正常的生活、工作和休息、
损害身心健康、降低工作效率，同时将引起受振物体的疲劳损坏，降低使用寿命。
因此，在修建轨道交通的同时，如果不注意在相应的区段采取相应的减振措施，
就难以达到国家的环境标准，影响沿线居民的生活质量。并且，随着生活水平的
提高，人们对生存环境的要求越来越高，对各种环境污染的治理力度越来越大，
轨道的振动自然也越来越引起人们的更多的注意。减小轨道交通的振动，是提高
沿线居民的生活质量和轨道交通可持续发展的关键之一[2]。因此，设法降低轨道振
动能级，与自然和生活环境相协调，便成为铁路能否持续发展的关键和生命所在，
研究城市轨道交通中的振动及其控制措施也就更显重要和迫切。
在汽车行业，吸能减振方面的研究也是不可或缺的一关键部分，合理地确定
零部件的性能，结构参数以达到传递载荷、缓和汽车驶过不平路面时的冲击、衰
减振动、保持车身稳定的效果是整车设计水平的关键因素之一，这对提高零部件
新型减振缓冲波形弹簧研究及其有限元分析
2
的强度和使用寿命及提高汽车行驶的平顺性和安全性都具有重要意义，同时也保
证了货物完好和人员舒适[3,4]。
吸能减振在现代物流行业，也是极其重要的。在商品流通运输过程中，会不
可避免地产生碰撞冲击等危害，为了降低商品运输流通过程中造成的损坏，运输
包装（或称缓冲包装）就发挥了关键性的作用，这就迫切需要对运输包装采用专
业设计，使其能承受振动且能提供缓冲，并使运输包装具有一定的抗戳穿性能和
抗压强度，以保护商品在运输、装卸及仓储码垛条件下完好无损。过去基于当时
运输条件的局限性，野蛮运输、装卸行为普遍存在，然而，随着运输条件的不断
改善以及运输减振缓冲吸能包装装置的使用，使得运输质量得以极大提高，但是
这些减振缓冲吸能包装大多是采用传统的简易方法（如用木质垫板、稻草等），
或者采用高档的泡沫定模工艺来包装，其最大的缺点是：容易破损，效果很差，
给企业造成较大的经济损失，增加了制造成本和运输成本，增添了经济负担[5,6]。
因此，如何提高产品的包装质量和降低损坏程度，同时又节约材料和可回收，并
降低总体成本，是当前面临的一个新的研究课题。
图 1-1 日本东京的多层立体交通
Fig.l-1 Tokyo of Japan’s multi-dimensional traffic
§1.1.1 吸能减振技术发展简介
吸能减振是一项应用极为广泛的技术，为了能够更好的保护设备和装置，阻
止机械工作状态的恶化、避免因振动和碰撞造成的机械和结构恶性破坏和失效，
人们已经对吸能减振进行了长期辛苦的探索，其技术和理论有了很大的发展。
第一章 绪论
3
减振元件主要分为减振器件和弹性元件 2 大类。
减振器件中的减振器是用以加快振动的衰减，使机械设备等的振动得以控制，
从 1902 年 Frahm 发明了动力减振器(dynamic vibration absorber,DVA)以来，己
有近百年的历史。减振器的种类很多，主要有橡胶减震器、流体减振器、转子减
振器、轴承减振器、弹簧减振器、液力减振器和新型减振器等。同一种类型的减
振器其结构形式又千差万别，例如橡胶减震器，有的橡胶减震器结构非常简单，
而有的则相当复杂。依据减振器所在部位是否作旋转运动来分，可分为固定式（如
机座减振器）和旋转式（如轴承减振器、转子减振器）；以减振器的减振原理来
分，可分为弹性减振器，摩擦减振器、冲击减振器、电磁减振器、水力减振器、
平衡减振器等。对减振器的基本要求，是能够把尽可能多的振动动能转换为热能
或其他形式的能量而迅速散失。
采用减振器减振的目的，根据不同情况而异，例如，有时是为了延长振动周
期，使人员舒适（如汽车），有时是为了减小振幅以免因振动而影响到其他设备
装置。从图 1.2 可以看出，安装减振器与否，存在很大的差别[7]。
图1-2 减振曲线
Fig.1-2 Curve vibration reduction
图 1-3 是其他的减振器件。
新型减振缓冲波形弹簧研究及其有限元分析
4
图1-3 减振垫和缓冲垫
Fig.1-3 Vibration reduction and cushion mat
弹簧作为一种缓冲零件，它是利用材料的弹性和结构特点来工作的，在工作
时产生变形，一般用弹簧钢制成，把变形能转变为机械功或动能，或把机械功或
动能转变为变形能，广泛应用于机械，仪表，电器中，如汽车、沙发、钟表等。
弹簧何时发明已无从考证，但据美国权威的弹簧刊物，弹簧最初出现于古代中国，
即古代官员所乘的轿子，轿子前后贯穿有两根木制或竹制长杆，轿身置于中间，
长杆两头分别有人抬着，行走时可借助木杆或竹杆的弹性来减轻途中的颠簸，其
形状和功能类似于目前用于载重车上的钢板弹簧。
弹簧作为最基础的各行各业普遍使用的通用零部件，适用范围极其广泛，几
乎涉及到国民经济的所有领域。
自从弹簧诞生之初，就以其用途广，作用大的优点，弹簧行业就表现出了强
大的生命力，市场需求日渐加大。随着制造技术的进步，弹簧行业也得到了巨大
的发展，技术装备水平进步显著。
中国弹簧制造业具有悠久历史，最早的弹簧专业生产厂是成立于1937年的中
国弹簧制造有限公司，迄今已有七十多年的历史。上世纪五十年代，新中国开始
了以重工业为主的大规模经济建设，对弹簧配套需求迅速增加，促使弹簧从一般
的五金件中分离出来，逐步成为机械通用零部件行业中的一个单独门类。随着经
济全球化的发展，弹簧的配套需求量剧增，加之从事弹簧生产的投资少，见效快，
技术门槛低，因此从上世纪八十年代开始，弹簧生产企业数量迅速增加，到2009
年为止，国内从事弹簧制造与相关产业的企业达3000家以上 [8,9]。
弹簧的用途极广，种类繁多。表 1-1 中列出的是各种弹簧的基本形式，表 1-2
给出了各种类型弹簧的实物图[10]。
在城市高架轨道交通方面，目前的吸能减振措施主要包括浮置板、弹性支撑
块、高弹性扣件、隔振沟、缓冲带、道砟垫、围栏桩、钢轨粘贴阻尼材料、埋入
式钢轨、车辆弹性悬挂系统、钢轨下橡胶垫板、铁垫下橡胶垫板、层叠高阻尼橡
胶支座、铅芯叠层橡胶支座等。
第一章 绪论
5
表1-1 各种弹簧的基本形式
Tab.1-1 Base form of various Spring
表1-2 各种类型弹簧的实物图
Tab.1- 2 Model of various Spring
新型减振缓冲波形弹簧研究及其有限元分析
6
§1.1.2 吸能减振的技术现状
随着计算机与自动控制技术的发展以及结构振动要求的不断提高，近年来振
动控制技术日益受到重视，其中吸能减振技术发展迅速,且日显生机。
吸能减振技术一直是汽车业研究的重点和核心，以汽车保险杠为例，二十年
前，汽车前后保险杠是以金属材料为主，用厚度为 3 毫米以上的钢板冲压成 U 型
槽钢，表面镀铬处理，与车架纵梁铆接或焊接在一起，与车身有一段较大的间隙，
好像是一件附加上去的部件。 随着汽车工业的发展，汽车保险杠做为一种重要的
安全装置也走上了革新的道路，今天的轿车前后保险杠除了保持原有的保护功能
外，还要追求与车体造型的和谐统一，追求本身的轻量化等[11]。
作为汽车重要的吸能减振装置的保险杠的研发设计一直备受关注，但由于其
受到较严格的外部约束和复杂的内部关系制约，以及实际过程中结构碰撞变形和
吸能机理的复杂性、结构设计的耐撞性要求（在撞击过程中，这种薄壁结构会发
生塑性弯曲、塑性扭转、塑性屈曲、断裂等现象，有时甚至可能被穿透），诸多
因素而限制了在有限范围内确定合理结构形式使其在碰撞过程中的变形能吸收更
多能量，是一个复杂的力学分析和实践经验问题，同时也决定了保险杠结构吸能
减振耐撞性研究是一个需要努力探索的领域，此外，汽车整车碰撞模拟在目前阶
段的局限性，都促使保险杠的开发设计面临多重困难。目前，对保险杠的改进多
是从材料方面来吸收尽可能多的能量，研究新材料如聚亚氨脂保险杠[12]、泡沫铝
夹芯柱体保险杠、使用聚脂系和聚丙烯系采用注射成型的塑料保险杠，或是增加
部件如复合式垫片保险杠[13]，或是通过分析软件和经验来研究其适宜厚度[14]，对
保险杠的结构形式都没有大的改进。
分析车辆碰撞过程可发现，要减少损失，一方面保险杠要吸收足够的能量，
另一方面保险杠应提供缓冲位移，以释放能量，这就促使我们寻求一种融合弹簧
缓冲和吸能的新型结构，以使其保险效果更加明显。
在减振器行业亦是如此。2009年，受小排量汽车购置税优惠、汽车以旧换新
补贴等政策影响，我国全年汽车销售量达到1365万辆，同比增长40%多，成为世界
第一大汽车消费市场。2010年我国继续实施针对汽车的消费优惠政策，新能源汽
车、农村市场都有巨大的潜力，汽车销量保持两位数增长,产销量达到了1500万辆。
在良好的大环境下，汽车减振器产业也得到了较强的发展势头，2008年我国汽车
减振器总成产量已达3868.7万只，近两年保持超过10%的增长速度稳定发展。但和
其他汽车零配件行业一样，外资或合资汽车减振企业拥有绝对的竞争制高点，在
中档汽车市场及前装市场有着非常大的优势。有媒体报道称：“在2010年北京国
际车展零部件区，记者发现尽管有20多家自主减振器企业参加展览，但与外商独
摘要：
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目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论.....................................................................................................................1§1.1吸能减振业概述................................................................................................1§1.1.1吸能减振技术发展简介..........................................
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作者：陈辉
分类：高等教育资料
价格：15积分
属性：72 页
大小：1.46MB
格式：PDF
时间：2024-11-20
