一种弹性体支撑结构设计及验证试验研究分析

蔡婉花

摘要：通过对弹性体刚度特性和强度设计分析计算，设计了一种弹性体支撑机构。该弹性体的设计结构简单、重量轻且占用空间小，且准确模拟了轮盘的工作边界条件，并在此基础上对弹性体的理论寿命进行了预估。同时完成了弹性体验证试验，确定了弹性体设计合理，满足轮盘试验要求。

Abstract： Based on the analysis and calculation of the stiffness characteristics and strength of the elastomer， an elastic supporting mechanism is designed. The design of the elastomer is simple in structure， light in weight and small in space， and accurately simulates the working boundary conditions of the wheel disc. On this basis， the theoretical life of the elastomer is predicted.

关键词：刚度;结构;理论计算;验证试验

Key words： stiffness;structure;theoretical calculation;verification test

中图分类号：TP212                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0014-02

0  引言

某轮盘形状结构特殊，工作时沿轴向产生一定的轴向位移，该变形随工作转速的提高逐渐增大，其他盘对该轮盘起到弹性支撑的作用。试验时为了模拟这一状态，需要设计一种弹性机构，模拟弹性支撑。由于弹性体支撑结构具有结构简单、重量轻且占用空间小等优点，因此采用弹性体来模拟轮盘的所承受的弹性支撑力。为了确保试验时弹性体能准确模拟轮盘的边界条件，需要保证弹性体设计的合理性，并对其疲劳寿命进行预估，从而确保试验的顺利进行。

1  弹性体设计

弹性体设计时，不仅需要考虑弹性体的刚度，还必须要保证弹性体满足强度设计要求。

1.1 弹性体刚度特性研究  为了分析影响弹性体刚度的主要因素，分别对凸台数、内外径、弹性体壁厚对弹性体刚度的影响进行了分析。

1.1.1 凸台数对弹性体刚度的影响  对某型弹性体，保持其它设计参数不变，仅增加凸台个数，由计算结果可知，弹性体的支承刚度将随着凸台个数的增加而增大，如图1所示。

严格来说，弹性体式支承的径向刚度沿周向并不是均匀的。

1.1.2 弹性环宽度对弹性环刚度的影响  随着弹性环宽度的增大，弹性环的刚度将随之增大，并且近似于线性变化。

1.1.3 内外径对弹性环刚度的影响  在弹性体壁厚保持不变时，随着弹性体内外径变大，每两个凸台间的距离将增大，弹性体的刚度则下降。但在实际设计中，由于试验件等相关因素的限制，弹性体内外径是不能随意变化的，因此在彈性体刚度的设计中，一般不会通过改变内外径来达到刚度要求。

1.2 弹性体强度设计  在弹性体的设计中，首先必须满足弹性体的支承刚度要求，即通过改变弹性体的凸台数和弹性体的壁厚等参数来达到要求的支承刚度。在满足刚度要求的基础上，还必须要保证弹性体系统满足强度设计要求。因此需要得到弹性环工作状态下的应力分布以及强度设计的应力考核点。通过对不同壁厚、凸台个数的弹性体进行强度分析。由于弹性体凸台与支撑盘相接触，受力分布比较复杂，因此弹性体的有限元计算模型按接触问题处理。首先建立弹性体与其相邻的刚性环有限元模型，并在刚性环与弹性体之间建立接触单元。采用solid45单元建立有限元模型利用ANSYS软件进行计算（见图2、图3）。

通过上述计算可知，过少的凸台数和过小的壁厚会导致应力集中严重，使弹性体在工作中应力幅值极大。弹性环刚度会随着凸台数目、壁厚的增大而增大，随着内外径的增大而减小，弹性环的圆角和凸台宽度对其刚度的影响很小，弹性环刚度会随着圆角和凸台宽度的增大而略有增加。由于内外径的尺寸受到试验件等因素限制，因此，在一般设计中，应当主要通过改变弹性环的凸台数目、弹性环的壁厚来达到要求的支承刚度。

1.3 弹性体结构设计

通过计算最终弹性体材料选用弹簧钢50CrVA/60Si2MnA，具体材料参数为：密度为7.8×103kg/m3;弹性模量为207GPa;泊松比为0.3;极限拉伸强度为1275MPa（20℃）;屈服强度为1130MPa（20℃）。凸台为6个，壁后为15.65mm的弹性体。具体弹性体的结构，详见图4。

2  弹性体疲劳寿命理论估算

应变—寿命曲线描述材料的应变与寿命之间的关系。根据描述应变—寿命曲线的控制参数的不同，可将其分为两种：Δε—N曲线和εeq—N曲线。

在所有的Δε—N曲线中，Manson-Coffin公式使用最为广泛，Manson-Coffin公式的表达式为：

式中σ'f为疲劳强度系数;ε'f为疲劳延续系数;b为疲劳强度指数，c为疲劳延续指数。

通过弹塑性瞬态计算得到的弹性应变幅、塑性应变幅与疲劳寿命的对应关系，取对数后，分别进行一元线性回归处理，就可以得到

总应变幅与疲劳寿命的公式表达式为：

通过对设计的弹性体瞬态计算得到：最大循环载荷下，关注点的第一主应力方向的弹性应变为0.004704mm/mm。最小循环载荷下，关注点的第一主应力方向的弹性应变为-0.002376mm/mm。最大循环载荷下，关注点的第一主应力方向的塑性应变为0.01527mm/mm。最小循环载荷下，关注点的第一主应力方向的塑性应变为0.01231mm/mm。

通過上述计算分析可知，预估弹性体在试验载荷下的理论疲劳循环次数为4000多循环。

3  弹性体验证试验

通过对轮盘的工作条件的分析、计算研究，采用弹性元件支撑机构来实现轮盘的工作边界条件，从而进行验证试验。利用工艺叶片模拟轮盘所受离心载荷，同时将支撑盘与弹性体相连，对试验组件起到支撑作用，将弹性体的力传递到试验组件及轮盘，以模拟轮盘所承受的弹性支撑力。按照上述方案在试验器进行试验，并在轮盘的轮缘和中心轴的轴端安装位移传感器，并连接好位移测量仪，开启试验设备，记录轮盘的轮缘和中心轴的初始位移值，手动调节“转速电位计”，上升转速至循环上限转速，记录轮盘轮缘及中心轴的位移值。具体记录的轮缘及中心轴的位移差见表1。

通过上述验证试验可知，弹性体设计合理，满足轮盘试验要求。

4  结论

通过上述分析，可以得出以下结论：①通过对弹性体的载荷和安装状态进行分析，通过多次试算，设计出满足试验方案要求的弹性体，弹性体壁厚加大，弹性体刚性增强，且轴向力与变形量呈线性关系。②弹性体在工作载荷时最大等效应力为1118MPa，材料的屈服强度为1130MPa，弹性体的最大等效应力小于材料的屈服强度，且满足试验要求。③在弹性环优化设计的基础上进行了验证试验，通过试验确定弹性体设计的合理性，为后续工作顺利完成提供了技术支持。

参考文献：

[1]吕文林.航空发动机强度计算[M].北京：国际航空编辑部，1984.

[2]叶先磊.ANSYS工程分析软件应用实例[M].北京：清华大学出版社，2004.

[3]浦良贵.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.