Теоретические и экспериментальные исследования полимерных элементов амортизаторов удара автосцепки

Размещено на http://www.allbest.ru/

Теоретические и экспериментальные исследования полимерных элементов амортизаторов удара автосцепки

УДК 629.4.028.86

А.П. Болдырев, В.В. Говоров

14.03.11

Аннотация

Представлены результаты экспериментальных исследований полимерных элементов. Разработана математическая модель полимерного материала Hytrel 5556, с помощью которой рассчитаны характеристики элементов.

Ключевые слова: поглощающий аппарат, полимерные элементы, математическая модель, гиперупругость, Hytrel 5556.

Железнодорожный транспорт является одним из основных видов транспорта в Российской Федерации: по данным Федеральной службы государственной статистики, доля грузоперевозок общего назначения составляет 41% от общего их числа, а объемы выросли почти в два раза по сравнению с 2000 г. [1].

Рост объёма перевозимых грузов повлек за собой увеличение скоростей и масс поездов, интенсификацию маневрово-горочных операций, что привело к увеличению нагруженности грузовых вагонов. Для защиты вагонов и перевозимых ими грузов от продольных воздействий применяют амортизаторы удара (поглощающие аппараты).

Существует много различных конструкций амортизаторов удара автосцепного устройства железнодорожного вагона, и у всех есть свои достоинства и недостатки. Фрикционные поглощающие аппараты дают различные значения силы удара при одинаковых повторных экспериментах, они требуют приработки и имеют склонность к заклиниванию. Другим известным недостатком серийных фрикционных аппаратов является невыгодная для условий работы в поезде силовая характеристика: высокое начальное усилие и значительная зона застоя (анкилозис) приводят к слабой связи силы и хода аппарата, поэтому большую часть времени переходного процесса аппараты практически не работают, а динамические процессы в поезде определяются в основном упругодиссипативными свойствами системы «вагон-груз» [2]. В резинометаллических амортизаторах силовая характеристика может меняться с течением времени из-за старения резины, а также под влиянием различного рода механических факторов (температуры, солнечной радиации, состава окружающей газовой среды). Гидравлические поглощающие аппараты тоже чувствительны к внешним условиям. Так, под действием температуры изменяются кинематическая вязкость и упругость жидкости и начальное давление газа в камерах. Так как гидроамортизатор представляет собой изделие высокой точности, то затраты на его производство гораздо больше затрат на производство фрикционных и полимерных амортизаторов удара. Эластомерные аппараты обладают такими же недостатками, как и гидроамортизаторы [3]. Таким образом, представляет интерес создание поглощающего аппарата, не уступающего по своим характеристикам аналогам, но более простого и надежного.

В последнее время широкое распространение получили полиэфирные термоэластопласты (ТЭП), которые подвергаются большим упругим деформациям и при этом невосприимчивы к концентраторам напряжений. Также они могут подвергаться переработке, что имеет большое значение для охраны окружающей среды. Для разработки новых конструкций поглощающих аппаратов целесообразно применение данных полимерных материалов в качестве энергопоглощающих элементов.

Для расчетов конструкций, содержащих полимеры, с приемлемой степенью точности крайне важно располагать экспериментальными данными по упругим свойствам полимеров. На основе этих данных рассчитывают параметры для адекватного описания той или иной модели гиперупругого материала.

Определение упругих материалов основывается непосредственно на наблюдении, что напряжения в таких материалах зависят только от величин деформаций в текущий момент времени. Материал называется упругим, если напряжения в нем в произвольный момент времени зависят только от локальной деформации в этот момент времени и не зависят от предыстории деформирования.

Обратимость упругих деформаций и независимость от пути (предыстории деформации) для упругих тел приводят к предположению о существовании некоторой дифференцируемой функции деформаций , порождающей напряжения. Потенциальная функция , называемая плотностью энергии деформации, такая, что , определяется из соотношения

(1)

Таким образом, материал называется гиперупругим, если напряжения в теле выводятся из функции энергии деформации с помощью соотношения (1). Существование потенциальной функции обосновывается термодинамическими законами.

Обычно предполагается, что размеры и форма упругого тела известны в начальной конфигурации, отвечающей недеформированному состоянию материала. По этой причине удобнее использовать вместо упругий потенциал , отнесенный к единице объема недеформированного тела.

Известно, что многие упругие при конечных деформациях материалы деформируются без заметного изменения объема. Такие материалы относятся к несжимаемым упругим материалам. Практически все решения задач теории упругости при конечных деформациях получены именно для таких материалов.

Изохорическим движениям соответствует равенство единице третьего главного инварианта. Вследствие этого функция энергии деформации для изотропных несжимаемых гиперупругих тел является функцией только первых двух главных инвариантов: .

Для различных материалов предложен ряд аппроксимаций функции [4]. Полиномиальную аппроксимацию в общем случае можно записать в виде

(2)

Известный и наиболее часто используемый случай полиномиальной аппроксимации (2), характеризующий материал Муни-Ривлина, получается при сохранении лишь линейных относительно I₁ и I₂ членов:

Такая модель хорошо описывает деформации большого спектра материалов в широком диапазоне.

Для идентификации модели материала (определение констант гиперупругости) необходимо провести следующие испытания образцов из полимера: одноосное растяжение, сжатие (двухосное растяжение), чистый сдвиг [5].

Для определения характеристик полимерного материала Hytrel 5556 были изготовлены образцы вида «стержень» (рис. 1).

Испытания проходили в лаборатории кафедры «Динамика и прочность машин» Брянского государственного технического университета. Для испытаний на растяжение образец помещался в захваты разрывной машины SZ-10 и нагружался несколько раз. Прилагаемую нагрузку удерживали в таких пределах, чтобы напряжения в образце не превышали предела текучести. Эксперименты на сжатие проводились на прессе ПММ-250.

После обработки полученных данных были рассчитаны константы Муни-Ривлина для модели с тремя коэффициентами:

,

где

Для проверки адекватности созданной математической модели материала были сопоставлены силовые характеристики полимерных элементов, полученные экспериментальным и теоретическим путем.

Были испытаны следующие образцы:

1) цилиндрический образец №1 диаметром D = 96 мм и высотой H = 58 мм (рис. 2);

2) цилиндрический образец №2 внешним диаметром D = 85 мм, внутренним диаметром d = 20 мм и высотой H = 54 мм;

3) цилиндрический образец №3 внешним диаметром D = 110 мм, внутренним диаметром d = 21 мм и высотой H = 30 мм;

4) цилиндрический образец №4 внешним диаметром D = 110 мм, внутренним диаметром d = 21 мм и высотой H = 50 мм;

5) цилиндрический образец №5 внешним диаметром D = 200 мм, внутренним диаметром d = 26 мм и высотой H = 56 мм с выточкой глубиной 40 мм (рис. 3);

6) тор с внешним диаметром D = 88 мм, внутренним диаметром d = 18 мм и высотой H =34 мм;

7) цилиндрический образец №6 внешним диаметром D = 140 мм, внутренним диаметром d = 32 мм и высотой H = 30 мм.

Статические испытания полимерных образцов проводились на прессе ПММ-250. Образец устанавливался на стол пресса, ход элемента фиксировался реохордным датчиком, а сила определялась с помощью силоизмерительного устройства. После семи пробных прожатий записывались силовые характеристики полимерных элементов (рис. 4).

На основе полученной модели материала были созданы МКЭ-модели полимерных образцов и рассчитаны теоретические силовые характеристики. Задача решалась в осесимметричной постановке. Модель (рис. 5) состоит из четырех тел. Это деформируемый полимерный образец 1 и три абсолютно жесткие поверхности, имитирующие опорную плиту 2, нажимную плиту 3 и болт 4. Так как в опыте нажимная и опорная плиты были рифлеными, в модели между полимером и плитами введено трение. Коэффициент трения µ₁ = 0,8. Между болтом и полимером также введена сила трения (коэффициент µ₂ = 0,1). В процессе расчета координата y нажимной плиты 3 уменьшается (таким образом моделируется сжатие образца).

Так как основные показатели амортизатора удара, такие, как энергоемкость и максимальная сила, определяются только кривой нагружения, то в дальнейшем рассматривается только этап нагрузки.

На рис. 6 показана расчетная силовая характеристика цилиндрического образца № 6.

Сравнение силовых характеристик полимерных элементов, полученных экспериментальным и теоретическим путем (рис. 7), показало, что разработанная математическая модель полиэфирного термоэластопласта марки Hytrel 5556 хорошо описывает реальное поведение материала. Расхождения с результатами, полученными экспериментальным путем, составляют 4…8 %. изотропный гиперупругий полимерный

Разработанная математическая модель полимерного материала может быть использована для дальнейших исследований, направленных на разработку высокоэффективных амортизаторов удара автосцепки, в конструкцию которых входят полимерные элементы.

Список литературы

1. Транспорт в России. 2009: сб. ст./ Росстат.- М., 2009. - Т.65. - 198 с.

2. Белоусов, А.Г. Разработка конструкции и методики расчета фрикционно-полимерных поглощающих аппаратов: дис. … канд. техн. наук /А.Г. Белоусов. ? Брянск, 2006. ? 113 с.

3. Болдырев, А.П. Расчет и проектирование амортизаторов удара подвижного состава / А.П. Болдырев, Б.Г. Кеглин. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 199 с.

4. Оден, Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред / Дж. Оден. - М.: Мир, 1972. - 463 с.

5. Черных, К.Ф. Нелинейная теория упругости в машиностроительных расчетах / К.Ф. Черных. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 336 с.

Размещено на Allbest.ru