带动板的TPEE与楔形机构组合式缓冲器静压试验仿真研究

魏延刚，武树暄，司马娅轩，张媛，宋亚昕

（1.大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连科技学院 机械工程学院，辽宁 大连 116052；3.北京多邦汇科轨道车辆装备技术有限公司，北京 101100）

由于热塑性聚酯弹性体（Thermoplastic Polyester Elastomer，TPEE）良好的综合性能，TPEE缓冲器近些年来得到越来越多的应用[1-3]，随着我国货运载重和车速的提高，对缓冲器的性能要求越来越高，纯TPEE缓冲器能量吸收率难以满足要求，为此，相关研究人员研制了几种组合式缓冲器[4-7]。为了改善这几种组合式缓冲器的回弹性能，相关研究人员又研制了几种组合式缓冲器[8-10]，另外，还对TPEE的本构关系进行了研究[11]。

本文拟通过有限元方法对新发明的带动板的TPEE与楔形机构组合式缓冲器[12]进行静压试验仿真，通过有限元方法分析这种缓冲器的阻抗力、能量和功、能量吸收率、各元件的应力等，并将阻抗力能量和功以及能量吸收率的分析结果与理论和实验相结合的方法所获得的结果进行对比，为这种新型缓冲器的设计与研制提供参考。

下面首先简要介绍这种新型缓冲器的组成和工作原理。

1 缓冲器的构成及工作原理

图1是新型缓冲器结构示意图，图中楔形机构由空心座4、动楔块5、空心台套筒6和静楔块10构成，形成了全钢摩擦式缓冲器；TPEE弹性元件3、金属隔片2和壳体1构成了TPEE弹性体缓冲器；心轴7、螺母8和螺纹联接防松件9将全钢摩擦式缓冲器和TPEE弹性体缓冲器串联形了组合式缓冲器；静楔块10、动板11、承载板12、壳体1和空心座4构成了动板机构。

图1 缓冲器结构示意图

当冲击载荷沿轴向作用于承载板12上时，承载板12同时推动空心台套筒6和动板11。这样，空心台套筒76推动动楔块5，动楔块5推动空心座4，空心座4推动金属隔片2和TPEE弹性元件3组件，使轴向载荷通过金属隔片2作用在壳体1的底部。在此过程中，空心台套筒6下面的斜平面与动楔块5上表面斜平面相互挤压产生相对运动和摩擦；动楔块5外表面与静楔块10内表面相互挤压产生相对运动和摩擦；动楔块5下表面平面与空心座4上表面平面相互挤压产生相对运动和摩擦；这些面上的摩擦消耗了能量，从而提高缓冲器的能量吸收率；与此同时，承载板12推动动板11沿轴向运动，而在来自于静楔块11和与壳体1固联的衬板14的挤压力作用下，动板11内表面与静楔块10外表面、动板11外表面与衬板14内表面产生摩擦，这些面上的摩擦也增加了能量消耗；另外，来自空心座的轴向力使TPEE弹性元件组件发生轴向压缩变形而吸收冲击能量。

当轴向冲击载荷消失后，TPEE弹性元件3恢复变形而推动金属隔片2和空心座4，空心座4推动动楔块5和空心台套筒6由下向上运动，空心座4下部棱柱上表面推动动板11沿轴向向上运动，最终所有元件恢复到受冲击载荷前的状态。在整个冲击和回弹过程中，空心座4与空心台套筒6之间的储能元件在压缩过程中发生压缩变形而储存了部分能量，缓和了压缩冲击；在回弹过程中这部分能量被释放，缓和了回弹冲击。

2 缓冲器静压试验仿真有限元模型

所研究的带动板的组合式缓冲器空心台套筒和动楔块间的的楔形角为30°，动楔块与静楔块间的楔形角为3°，根据缓冲器结构的对称性，为了提高计算机计算效率，取缓冲器的四分之一进行有限元仿真分析，省略各元件的倒角和圆角等工艺结构，缓冲器四分之一的有限元模型如图2所示。

图2 缓冲器有限元模型图

TPEE弹性元件的密度为1.2E-9 t/mm3，泊松比为0.45。TPEE的超弹性模型和粘弹性模型及参数按文献[11]选取。其它元件的材料均为钢材，取钢的密度为7.8E-009 t/mm3，弹性模量为210 000 N/mm2；泊松比为0.3。

由于回弹过程迭代收敛相当难，所以为了保证回弹过程仿真的顺利进行，将回弹过程分为两个分析步，第一个分析步只回弹微小的位移量，第二个分析步由此微小的位移量到回弹结束。这样就对组合式缓冲器静压试验仿真模型构建了三个分析步，第一个分析步为位移加载分析步、第二个分析步为回弹微小的位移量分析步，第三步为完成整个回弹的分析步。由于模型还包括大量的接触对，因此，需要设置几何非线性。

接触定义包括钢与钢的接触、钢与TPEE的接触、TPEE与TPEE的接触。其中钢与钢的摩擦为库伦摩擦，摩擦系数为0.15；钢与TPEE的摩擦也为库伦摩擦，摩擦系数为0.18；高分子弹性体TPEE模型中间有缝隙，需要定义TPEE间的自接触，其库伦摩擦的摩擦系数为0.3。

模型网格划分关系到计算精度和考虑计算效率，所以网格疏密要适当。另外单元类型取为C3D8R，缓冲器四分之一的有限元网格模型的单元数为238539个，节点数为297529个。有限元网格图如图3所示。载荷和边界条件的定义是将壳体底部耦合点的六个自由度全部约束，剖分面上法向自由度加约束。

图3缓冲器有限元网格图

根据TB/T 1961－2016[13]对TPEE缓冲器进行静压实验的压缩行程为78.8 mm，所以对带动板的TPEE与楔形机构组合式缓冲器施加在承载板上的位移进行换算，因此压缩行程承载板13上施加的位移量为76.87 mm。

3 缓冲器静压试验有限元仿真结果

缓冲器静压试验有限元物理仿真计算获得了力、能量和功以及各种应力和应变等大量计算结果，在此仅介绍与缓冲器性能有关的主要计算结果。

3.1 缓冲器的力、功和能量吸收率

表1为加载压缩和缷载回弹过程中的轴向力和轴向反作用力随承载板轴向位移的变化数值。图4为作用在承载板上的轴向力和作用在壳体底部的轴向反作用力随时间变化的曲线。

由图4可知，作用在承载板上的轴向力和作用在壳体底部的轴向反作用力随时间变化的曲线规律大致相同，由表1给出的具体数值可以看出两者在加载过和相差较小，在回弹过程相差较大，尤其在回弹末尾，两者相差很大，这是因为回弹末尾的仿真很不稳定而严重失真的原因。

表1 加载压缩和缷载回弹过程中的力和反作用力

图4 缓冲器样机静压试验过程中轴向力变化图

表2为缓冲器加载压缩和缷载回弹过程中的能量数值。图5为这些能量随时间变化的曲线，表2和图5中数值是1/4模型的值。

缓冲器压缩过程中整体能量平衡方程式为：

式（1）说明，压缩过程中外载荷对组合式缓冲器做功，一部分转化为组合式缓冲器中的高分子弹性体TPEE的ALLCD和缓冲器中各部件间的ALLFD，另一部分转化为组合式缓冲器中可恢复的ALLSE，这部分弹性应变能用于缓冲器的回弹过程。由表2和图5可知，缓冲器压缩过程中基本满足能量平衡方程式（1）。

图5 缓冲器静压过程中能量的变化图

由表2还可看到，回弹将结束时，缓冲器总的能量吸收量，也就是TPEE的ALLCD与缓冲器中各部件间的ALLFD之和约为56.05 kJ，压缩过程中ALLWK约为68.59 kJ，因此，缓冲器的能量吸收率约为81.72%。

表2 缓冲器加载压缩和缷载回弹过程中的能量数值

3.2 缓冲器主要元件的等效应力

理论与实验相结合的计算方法[9]虽然可求解缓冲器阻抗力、能量吸收率等，但是这种方法无法求得缓冲器静压试验过程中各元件的应力和应变。有限元物理仿真不仅可以求出缓冲器阻抗力、能量吸收率等还可以求解缓冲器各元件的各种应力和应变，为了节省篇幅，在此仅介绍等效应力。

当缓冲器承载板下行的位移达到76.87 mm时，阻抗力达到最大，各元件所受的力最大，应力也达到最大，因此，以下都是取此瞬间的等效应力进行分析。图6是静压过程中应力最大瞬间缓冲器的等效应力云图，由云图可知缓冲器的最大等效应力为1121 MPa。下面分别介绍主要元件的等效应力分布和最大等效应力的位置及最大等效应力数值。

图6 缓冲器的等效应力云图

（1）承载板等效应力

图7为承载板的等效应力图。从图中可看出，承载板的等效应力高应力区出现在与空心台套筒接触的区域，而且高应力区的形状与空心台套筒与承载板接触部分的形状相同；等效应力的最大值出现在承载板与空心台套筒接触边缘处，这是因为接触面处的边缘效应产生的应力集中引起的。最大等效应力为218.5 MPa。

图7 承载板的等效应力云图

（2）空心台套筒等效应力

图8为空心台套筒的等效应力图。从图中可看出，空心台套筒的等效应力高应力区分布在空心台套筒的内表面底部的套筒壁处、空心台套筒底部外表面与动楔块上斜表面接触区域和空心台套筒外表面的中心孔边缘处，而且最大等效应力出现在空心台套筒外表面的中心孔边缘处；最大等效应力为660.5 MPa。

图8 空心台套筒的等效应力云图

（3）动楔块等效应力

图9为动楔块的等效应力云图。动楔块的等效应力高应力区分布在与空心台套筒底部外表面接触的上斜表面区域、与空心座上表面接触的底部平面区域和与静楔块接触的侧面区域。其中与空心台套筒底部外表面接触的上部斜面底边接触边缘处靠侧面角点的等效应力最大，最大等效应力为931.4 MPa。

图9 动楔块的等效应力云图

（4）静楔块等效应力

图10为静楔块的等效应力云图。静楔块的等效应力高应力区分布在与分隔板框接触的底部和与动楔块接触处，其最大等效应力出现在与分隔板框接触底部两个角处，最大等效应力为1121 MPa，此处也是整个缓冲器的最大等效应力点。

图10 静楔块的等效应力云图

（5）动板等效应力

图11为动板的等效应力云图。动板的等效应力高应力区分布在与静楔块接触面中间处和与衬板接触面中间处，其中最大应力出现与静楔块接触面中间处，最大等效应力为258.9 MPa。

图11 动板的等效应力云图

（6）衬板等效应力

图12为衬板的等效应力云图。衬板的等效应力高应力区分布在与动板接触面处和与壳体接触的底部，其中最大应力出现与壳体接触的底部，最大等效应力为382.2 MPa。

图12 衬板的等效应力云图

（7）壳体等效应力

图13为壳体等效应力云图。由图可知，壳体的高等效应力区出现在壳体顶部的四个角处、壳体内表面与分隔板框侧面以及底面接触区域边缘附近和壳体底部内表面与最下面的隔片底部表面接触区域边缘附近，其中壳体内表面拐角处与分隔板框底面接触处的等效应力最大，该处最大等效应力为428.6 MPa。

图13 壳体的等效应力云图

（8）空心座等效应力

图14为空心座等效应力云图。空心座的高等效应力区出现在与动楔块底部平面接触的上表面的边缘附近，而边缘处的等效应力值最大，这也是边缘效应产生的结果，该处最大等效应力为640.1 MPa。

图14 空心座的等效应力云图

（9）分隔板框等效应力

图15为分隔板框等效应力云图。分隔板框的高等效应力区出现在支撑静楔块的4个拐角处，这是由于弯曲效应产生的效果，最大应力出现在拐角处的应力集中处，该处最大等效应力为1091 MPa。

图15 分隔板框的等效应力云图

（10）隔片等效应力

由于各金属隔片的等效应的分布规律和最大应力值都相差不多，图16为从上数第四片隔片等效应力云图。隔片的高应力区出现在中心孔附近，而且中心孔附近上下面处的应力最大，最大等效应力为376.8 MPa。

图16 最下面的单面曲面隔片的等效应力云图

（11）TPEE元件等效应力

缓冲器中有8片TPEE元件，8片TPEE元件等效应力分布规律相似，高应力区都是出现在距中心孔约22 mm的环形带区域的外表面和自接触的内表面，而且8片TPEE元件的最大等效应力相差只有约8 MPa，其中由上面数第4片的TPEE元件应力最大，在此仅给出应力最大的TPEE元件分析结果，图17为其等效应力云图。其最大等效应力出现在自接触的内表面，最大等效应力为229.9 MPa。

图17 TPEE元件的等效应力云图

4 结语

（1）理论与实验相结合的计算方法[8]虽然可以通过位移求解出缓冲器阻抗力、楔形机构的摩擦损耗和能量吸收率等，但是此方法无法求得缓冲器静压试验过程中各元件的应力和应变；有限元物理仿真不仅可以通过位移求出缓冲器阻抗力、各种能量及能量吸收率等，还可以求解出缓冲器各元件的各种应力和应变。

（2）当所研究的缓冲器承载板下行位移达到76.87 mm时，阻抗力达到最大，相应的物理仿真结果是，缓冲器阻抗力约为3596 kN，能量吸收率为81.72%；而用理论和实验相结合的方法求出相应的缓冲器阻抗力为4067 kN，能量吸收率为79.62%。物理仿真的缓冲器阻抗力和能量吸收率与理论和实验相结合方法求出的结果相比分别相差约11.59%和－2.62%，两者比较接近。

（3）通过有限元物理仿真求出的缓冲器主要元件的等效应力的结果说明，当缓冲器承载板下行位移达到76.87 mm时，各元件所受的力最大，各元件的等效应达到最大。这时缓冲器中静楔块的最大等效应力最大，最大等效应力为1121 MPa；分隔板框的最大等效应力次之，为1091 MPa；动楔块的最大等效应力为931.4 MPa；空心台套筒的最大等效应力为660.5 MPa；空心座的最大等效应力为640.1 MPa。这些元件的最大等效力均超过了其屈服极限，因此，在缓冲器的制造中要从选材和工艺上进行重新设计或优化。