在电梯行业中橡胶弹簧组有限元分析方法

摘 要:论述了一种结合橡胶弹簧表观弹性模量的计算方法和利用有限元软件Simulation2009分析的方法,研究了在较为复杂的情况下,确定橡胶弹簧组的近似弹性模量,从而确定其变形量的方法。通过实验更验证了该方法的可靠性。

关键词:电梯行业;橡胶弹簧组;有限元分析

中图分类号:TB 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2010)06-0305-01

0 前言

橡胶弹簧组在电梯的机械结构方面应用十分广泛,例如曳引机底座与建筑物之间间接影响乘客舒适感的减震连接,还有电梯轿厢和轿架之间的直接影响乘客舒适感的弹性连接等。橡胶弹簧相比于钢制弹簧具有形状的设计不受限制;弹性模量比较小,易产生较大的非线性变形;高内阻,对冲击和高频振动吸收好等优点,但是由于橡胶弹簧使用的是粘-弹性材料,力学性能比较复杂,精确计算它的弹性模量比较困难,如果是多个橡胶弹簧组合使用那计算起来就更加困难了。因此,如果有一种分析橡胶弹簧组特性的方法就尤为必要了。

1 分析方法的原理

下面本文将要介绍一种新的计算方法来综合分析多个橡胶弹簧组合时的受力变形情况,那就是通过理论计算不同截面橡胶的表观弹性模量,将其乘以一个经验系数得到近似的橡胶弹性模量E,并赋值进入有限元软件进行分析,得出接近于实际情况的变形量。最终通过微调各处橡胶弹簧的硬度或微调他们的安装位置,改变他们的变形量使其相等,实现减震的同时,让电梯运行更加平稳。

2 分析方法的举例

结合橡胶弹簧表观弹性模量的计算方法和Simulation2009这款有限元分析软件,我们以轿厢和轿架接口处的减震矩形橡胶弹簧组举例说明。

下面将该弹簧组中的某一处橡胶弹簧简化出来,该橡胶弹簧的参数为:长a=120mm;宽b=46mm;高h=48mm;橡胶弹簧邵氏硬度HS=48;受正压力为F=1078N,则:

计算形状系数s为

S=ab2(a+b)h=120×462×(120+46)×48=0.346(1)

计算过程变量m为

m=10.7-0.098HS=10.7-0.098×48=5.996(2)

计算压缩影响系数为

i=11+ba4+2ba+0.561+ba2ms2=11+461204+2×46120+0.56×1+461202×5.996×0.3462=4.002 (3)

计算橡胶弹簧的表观切变模量Ga(MPa)为

Ga=0.117e0.034HS=0.117e0.034×48=0.598(4)

计算橡胶弹簧的表观弹性模量Ea(MPa)为

Ea=i×Ga=4.002×0.598=0.393(5)

计算理论变形量f(mm)为

f=FhEaab=1078×482.393×120×46=3.917(6)

至此,该橡胶弹簧的理论变形量计算完毕,但由于是多个橡胶弹簧组合在一起,单纯的计算不能反映出整体变形情况,因此需要将所有橡胶弹簧均建模进行整体有限元分析,这里就需要一个经验系数,将不同截面和不同硬度的橡胶表观弹性模量转化为有限元中的橡胶实体弹性模量。

方法如下:将上式中的f值记录,然后建立一个实体,材质赋为橡胶,尺寸如例中所示,如图1。

中间的夹层就是橡胶弹簧简化模型,上下的两层为硫化钢板,材质赋为普通碳钢,它的变形不做考虑,仅作为接近实际工况的中间量考虑。

按默认的橡胶弹性模量用有限元分析软件计算出变形量,然后通过不断自定义修改橡胶的弹性模量来改变分析出来的值,最终使

f1=f(7)

此时橡胶弹簧的变形是3.912mm,接近于3.917mm,如图2。

记录此时的新的橡胶弹性模量(X)MPa,经过多次赋值和多次的模型分析,总结出一个近似经验系数1.413,即

Ea=1.413E(8)

此处需要说明的是,由于建模后大家所采用的有限元分析软件不同,所取的划分网格大小也不同,最终得出的新的橡胶弹性模量也不尽相同,本文中使用的是Simulation2009这款有限元分析软件,网格划分均是按软件默认,得出了如上的经验系数。如果使用的是Cosmos2008有限元分析软件,按照默认网格划分则该系数变为了1.083,但如果对单个橡胶弹簧分析和对橡胶弹簧组的整体建模分析,只要均采用同一种软件,则对最终结果不会产生影响。

将组中各个橡胶弹簧的弹性模量均按照上述的近似值(X)来自定义赋值,再次经过所受合力的作用,分析后就可得到如本文开始所述的实际所需变形值了。另外如果橡胶弹簧组中的所有单体的截面形状不一致,那么需要按不同截面形状分别推导出该截面的系数,例如圆形和矩形的系数是不一致的。然后再进行微调等工作,本文不再赘述。

以上计算是仅考虑橡胶弹簧在受压的情况下,产生减震和抗冲击效果,在实际应用中应根据所用的计算规则,灵活掌握,切不可生搬硬套。

3 结论

通过理论分析计算和实验室的多次实验得出如下结论:

(1)经过实际电梯运行实验的检测,上述方法得出的橡胶弹簧组理论计算变形情况与实测基本符合。

(2)橡胶弹簧组的整体有限元分析可以通过单体的分析进而推导出一个经验系数,最终带入到整体,实现由微观到宏观的分析理念。

(3)使得我们在理论设计中又多了一种新的可靠、简便的方法,让计算电梯中的橡胶弹簧组变形变得轻松、高效。