橡胶粒-铝板减震器冲击建模仿真与优化

高 勇，张海波

橡胶粒-铝板减震器冲击建模仿真与优化

高 勇，张海波

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

橡胶粒-铝板减震器应用于多种受瞬时冲击较大的电池模块减震装置。本文通过有限元法，对自主设计的橡胶-铝板减震器在300 g加速度冲击、正弦衰减冲击情况下的橡胶和铝板损坏的计算分析与建模，对减震器进行结构优化，并提供可行的改进参考方案。

减震器 超弹性材料

0 引言

橡胶-铝板减震器被广泛应用于多型特种电池减震装置，但在实际工程应用过程中，由于电池系统所受冲击较大（≥300 g），会对减震器造成永久性破坏，直接影响电池性能[1]。通过试验验证方式进行优化，耗时较长，且成本高昂，故团队拟采用建模仿真的方式，对减震器进行初步优化设计。使用ansys workbench进行仿真，发现整套模型网格划分复杂，计算时间过长，故在仿真软件建模的同时，本论文采用试验实际测量和自主有限元法建模仿真的方式进行优化分析。

1 方法

减震器中单片减震板如图1所示，图中A所示黑点为橡胶粒，B所示银色部位为铝板,实际减震装置由多片串联组成。受到冲击时，通过铝板上大量的橡胶粒缓冲起到减震效果。

本论文中橡胶粒相关数据通过试验测定，在仿真过程中，各时刻所需数据通过拉格朗日插值，结合实际形变计算得到，如公式（1）、（2）所示：

1.1 减震器原理模型

由于装配体结构较为复杂，直接用ANSYS WORKBENCH建模对工作站硬件要求较高且每次运算耗时过长。故选择借鉴弹簧振子模型（如图2）将结构简化。图中橡胶粒为ki，mi为铝板，xi为各时间步长下的橡胶形变[2]。

图1 单片减震板示意图

图2 弹簧振子串联模型

此处基于以下原因未考虑弹簧振子并联模型：1）简化后运用matlab仿真模型为1维模型，若考虑并联情况，结构需改为2维，且需模拟压力的面分布，将大幅增加运算时间；2）并联模型弹簧的弹性总体弹性系数减小，更利于力的传递，使铝板所受压力也相应减小，仿真结果偏小，更不容易被破坏；3）串联模型施加应力为最大加速度时产生的应力，即真实装配体靠近轴线位置橡胶所受应力，如果此处橡胶未被破坏，其他位置的橡胶也不会被破坏。结合以上三点，我们认为弹簧振子串联模型可行。

将负载加速度改为衰减波形，无阻尼自然频率为pi/0.5，衰减系数为0.05，衰减加速度波形见图3。

图3 负载加速度

由于冲击时间为1 ms，单个橡胶重量为0.3 g，故所有数据在模拟时需做无量纲化，以保证矩阵可逆。

1.2 橡胶模型

在参考模型的基础上我们针对非线性弹性材料橡胶粒做了压力与形变测试试验以提高仿真精度[3]，原理如图4所示。

图4 橡胶压力与形变测试原理

其实验室压缩测试结果如表1。

表1 橡胶压力实测数据

将试验数据经过处理，在剔除偏差值等步骤后，每个时间步长结束，根据橡胶的压缩量，通过拉格朗日插值法，即公式（1），更新当前时间步长下每个橡胶的弹性系数。考虑铝的屈服极限为90 MPa，在仿真计算时当橡胶应力大于90 MPa时，设定铝板已被破坏。

2 结果

分别模拟70片、100片和138片减震片串联，由图5可看出三次模拟均从自由端开始损坏，越靠近自由端应变越大，片数越多，产生显著形变的片越多。

图5 70、100、138片减震片破损分布

图6所示为各片数量情况下的应变，无量纲化处理后应变超过1.7则铝板发生屈服形变。由结果可见，138片模型情况下约13片铝板被破坏（实验结果为10片）；100片情况下，自由端铝板接近屈服极限；而70片情况下，无铝板被破坏，且最大应变远小于屈服极限1.7。所以仿真结果表明，若在中间位置加装挡板，则可避免铝板被破坏。

图6 70、100、138片减震片应变分布

3 结论

根据138片减震片方案试验室冲击测试结果和仿真结果进行比较，结果基本一致。实测此减震方案铝板损坏为10片，而仿真计算则为13片，故仿真结果具备定性参考价值。经分析，当减震片数量过多时，随着冲击负载的波动，在减震器自由端将产生共振，从而破坏铝板。故可采用减少串联减震片数量或在数量较多的减震装置内部增加挡板，使减震装置分割为若干独立串联模块的方式进行优化。第二方案工程实测有效。

[1]蔡年生. 铝/氧化银鱼雷动力电池的安全性分析[J]. 鱼雷技术. 1998, (01): 5-9.

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[3]李树虎, 贾华敏, 李茂东, 王丹勇. 超弹性体本构模型的理论和特种试验方法[J]. 弹性体. 2011, 21（1）: 58-64.

The Analysis and Optimization of the Rubber Particles-Aluminum Plate Shock Absorber

Gao Yong, Zhang Haibo

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TQ336

A

1003-4862（2019）08-0020-03

2019-01-15

高勇（1980-），男，高级工程师。研究方向：化学电源。E-mail: 18907120357