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基于非线性有限元法的带橡胶垫高圆簧组合系统刚度特性研究

一、绪论

1.1研究背景与意义

随着近年来轨道车辆高速化的迅猛发展，对机车车辆动力学性能的要求日益严苛。为满足垂向大挠度、横向小刚度以及隔振等关键设计要求，越来越多的新型机车采用高圆簧形式的二系悬挂系统。在高圆簧组合系统中，橡胶垫凭借其超弹性和大变形特性，成为降低横向刚度的核心部件，对整个系统的性能起着举足轻重的作用。

机车二系悬挂的各向刚度作为影响机车车辆动力学性能指标的关键因素，精确获取其各向刚度参数意义重大。车辆在运行过程中，会受到来自轨道的各种激励，如不平顺、弯道等，此时二系悬挂的刚度参数直接决定了车辆的振动响应和稳定性。若刚度参数不准确，可能导致车辆在高速行驶时出现剧烈振动，影响乘客的舒适性，甚至威胁行车安全；在通过弯道时，可能出现脱轨等严重事故。因此，准确掌握高圆簧组合系统的刚度特性，是保障机车车辆安全、稳定、舒适运行的基础。

目前，国内外对于高圆簧串联橡胶垫组合系统的刚度分析主要采用经验公式法和试验方法。然而，经验公式法本质上属于线性估算方法，它基于一些简化的假设和理想条件，无法充分考虑橡胶垫在复杂工况下的实际刚度特性。在车辆运行中，橡胶垫会受到多种因素的影响，如温度、频率、载荷大小和方向等，其刚度会呈现出非线性变化。而经验公式法所得出的刚度值不能很好地反映这些实际情况，更无法表征高圆簧组合系统的非线性特征，这在一定程度上限制了其在精确分析中的应用。

试验方法虽然能够较为准确地测量出组合系统的刚度，但在机车车辆设计计算阶段，存在诸多局限性。一方面，试验需要搭建专门的试验台，购置昂贵的测试设备，这无疑会增加研发成本；另一方面，试验过程繁琐，周期长，难以在设计初期快速提供准确的刚度参数，无法满足设计阶段对快速、准确数据的需求。

随着非线性计算仿真水平的不断完善，为机车二系悬挂进行非线性特性分析提供了可能。运用非线性有限元方法对高圆簧组合系统的各向刚度进行分析，可以较为真实地仿真实际情况。通过建立精确的有限元模型，能够充分考虑橡胶垫和高圆簧的材料非线性、几何非线性以及接触非线性等复杂因素，从而得到更准确的刚度计算结果。这不仅有助于深入理解高圆簧组合系统的力学行为，还能为机车车辆的设计和优化提供有力的理论支持。

本文基于Abaqus非线性有限元软件，对橡胶垫及高圆簧组合系统进行深入的非线性刚度分析，并与经验公式计算结果和准线性分析结果进行对比研究。通过这种方式，旨在揭示高圆簧组合系统的非线性刚度特性，为机车车辆二系悬挂系统的设计、优化以及动力学性能分析提供更加精确可靠的依据，推动轨道车辆技术的进一步发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1高圆簧组合系统刚度研究

高圆簧组合系统刚度的研究一直是铁道车辆领域的重要课题。早期，研究主要集中在运用材料力学理论，将高圆簧简化为等截面弹性直杆，推导其刚度计算的经验公式。在19世纪，材料力学的基本理论逐渐成熟，为弹簧刚度的计算提供了理论基础。学者们基于胡克定律，将弹簧的变形与受力建立联系，通过对弹簧几何形状和材料特性的分析，得出了一些简单的弹簧刚度计算公式。到了20世纪，随着铁路运输的发展，对高圆簧的性能要求不断提高，研究人员开始考虑更多的因素对高圆簧刚度的影响，如簧圈的曲率、节距等，对经验公式进行了修正和完善。然而，这些经验公式往往基于线性假设，未充分考虑高圆簧在复杂工况下的非线性特性，计算结果与实际情况存在一定偏差。

随着计算机技术的兴起，数值计算方法在高圆簧刚度研究中得到应用，有限元法成为重要的研究手段。有限元法的理论基础在20世纪中叶逐渐形成，它将连续的求解域离散为有限个单元，通过对单元的分析和组合，得到整个求解域的近似解。在20世纪70年代，有限元法开始应用于机械工程领域，包括弹簧的分析。通过建立高圆簧的有限元模型，能够考虑几何非线性、接触非线性等复杂因素，更准确地模拟高圆簧在不同工况下的力学行为。相关研究利用有限元软件对高圆簧进行模拟，分析了高圆簧在不同载荷下的应力分布和变形情况，为高圆簧的设计和优化提供了更可靠的依据。但早期的有限元模型在处理复杂结构和材料特性时仍存在一定局限性，计算精度和效率有待提高。

试验研究也是高圆簧组合系统刚度研究的重要方法。通过搭建专门的试验台，对高圆簧组合系统进行加载测试，能够直接获取系统的刚度数据。在试验过程中，需要精确控制加载的大小、方向和速率，同时采用高精度的传感器测量高圆簧的变形和受力情况。试验研究不仅可以验证理论计算和数值模拟的结果，还能为理论和数值模型的建立提供实际数据支持，帮助研究人员更好地理解高圆簧组合系统的力学特性。但试验研究成本较高、周期较长，且受到试验条件的限制，难以全面研究各种复杂工况下的高圆簧刚度特性。

1.2.2橡胶元件非线