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压力阀橡胶弹簧分析

北京亚新科咨询有限公司张洪宝刘立

摘要:橡胶作为一种非线性材料，其特点是刚度是变化的。它的抗压和抗拉的能力，会随着受力越大而提高，相比较，金属的刚度在我们使用的范围内是线性的。所以橡胶在抗压，减振和一些有刚度变化需求的领域得到了广泛的应用。橡胶弹

簧是压力阀设计的关键部件。橡胶弹簧能够通过它的物理特性，受压力变形，导致控制元件的升降，转化为管路的升降，控制管路的大小，从而满足设计的要求。

关键字:橡胶弹簧超弹abaqus

0前言:我们要分析的橡胶弹簧受压头给一个1500N的力，然后模拟弹簧的受力变形，最后得出压头的力和下降的位移曲线。然后跟产品试验的力和位移曲线相对比，当CAE分析和试验相比足够准确时，可以提供很多方面的数据，如任意时刻的橡胶弹簧任意位置的应力和应变，给阀的设计和改进提供参考和依据。最终的目标是改进压力阀，使它的力和位移试验曲线和要求的力和位移曲线尽量贴

近。

1分析内容

图1为实物模型

因为橡胶的刚度是变化的，所以它的给定数据就不能象金属一样，只给定弹

性模量和泊松比就可以。橡胶的种类很多，材料可调整性很强，可以硫化等方法

改变它的性能，并且同样为邵氏硬度为70的橡胶，可以有几十种上百种，所以

在CAE中需要输入的橡胶的参数必须通过试验给定，然后在CAE计算中利用合

适的本构模型拟合。

橡胶不同于金属材料仅需要几个参数描述其材料特性，橡胶的行为复杂，材料是非线性的。它的力学行为对温度，环境，应变历史，加载的速率都非常敏感，

这样使得描述橡胶的行为变得更为复杂。而橡胶的制造工艺和成分也对橡胶力学性能有显著的影响。简单依赖单向拉伸性能实验并不能完全描述材料包括压缩及剪切在内的所有力学行为，这也意味着对橡胶弹簧进行有限元分析和结构模拟，必须对橡胶材料进行包括拉伸、压缩，剪切及体积实验等在内的全部基础实验。下面是我们根据国标GBT7757-1993橡胶压缩应力应变的测试得到的橡胶样块压缩数据：

表1

应力应变（变形量

（MPA）和原长的比

值）

0.006430.008

0.006630.024

0.081570.048

0.311690.072

0.535110.096

0.825970.128

1.043050.152

1.265940.176

1.505860.2

1.768180.224

2.078230.248

2.183930.2552

2.3430.274

2.7050.3063.1110.339

3.5780.3714.1370.403

4.8330.4355.2550.452

6.3170.4846.9880.5

2、分析计算

用ABAQUS软件求解；平衡弹簧座和橡胶弹簧，橡胶弹簧和平衡弹簧活塞之间通过面面接触（surfacetosurface）建立接触关系。计算结果如下：

表2

压缩过程中压头下降的位移单位mm

10020040060080010001200130014001500

NNNNNNNNNN

试0.791.83.85.56.87.327.68.28.48.7

验2

CA0.871.853.985.456.57.387.938.39.409.600

E

试验数据和CAE分析的比较

图2施压1300N图3为橡胶试验数据和分析采取的模型的拟合对比

分析结果与实验数据吻合较好，而且，我们也可以预判到，在超过-0.5的范

围，数值的贴近也应该是比较合理的。而且，我们通过软件模拟到，橡胶弹簧的受到压的应变范围是0－（-51％）之间，和我们实验提供的橡胶样块的压缩应变

实验数据的范围是0－（-50％）之间，几乎完全吻合，结果可信。

3、结论

利用有限元方法能较准确模拟橡胶弹簧的载荷-变形曲线，这样，在橡胶元

件设计之初就可以对各个方案进行论证修改，把握它的性能，大大提高了设计效

率。

为了改善压力阀的性能，对橡胶弹簧的结构要求如下：1）能满足产品一定范围内的刚度要求及刚度匹配要求。2）能满足产品一定范围内的力－位移曲线。

3）产品结构能够实现一定的应力均布且无明显的应力集中。

用有限元分析可以得到许多相关数据，如橡胶弹簧最大应力与最小应力分布

点，分析橡胶复合弹簧的工作极限，并且还能仿真出由于试验压力机工作范围允

许外的大载荷作用下的变形值，指导我们的实际应用。

CAE分析技术在橡胶产品上的应用将大幅度减少产品试制次数，缩短开发周

期。在橡胶弹簧设计上应放弃耗时、耗资的设计－试制－样机试验的设计方法，

即能将产品开发集中