Расчет деформации приборного резинометаллического амортизатора при статическом сжатии
При проектировании приборного пластинчатого резинометаллического амортизатора встала задача проведения теоретического расчета максимальной рабочей нагрузки. Целью был расчет напряженно деформированного состояния резинометаллического амортизатора при заданной максимальной рабочей нагрузке и определение его деформации.
Особенностью этого расчета является наличие в конструкции элемента, изготовленного из резины.
Деформацию от действующей нагрузки металлических элементов амортизатора с большой степенью точности можно считать линейной, и она описывается законом Гука. А вот деформация элемента из резины выходит за рамки линейного закона в силу природы этого материала. Также при работе резинометаллического амортизатора его деформация составляет миллиметры, что тоже нарушает пределы применимости моделей малых деформаций. Поэтому при расчете амортизатора необходимо учитывать физическую и геометрическую нелинейность.
При настройке расчета амортизатора была задействована поддержка в решателе геометрической нелинейности, а также выбран гиперэластичный материал и модель Муни-Ривлина (Mooney-Rivlin) и тем самым обеспечена физическая нелинейность.
Коэффициенты в модели Муни-Ривлина заданы для резины с твёрдостью 50 по Шору А.
Для построения модели приборного пластинчатого резинометаллического амортизатора АП-3-35-1 использовалась бесплатная параметрическая САПР общего назначения FreeCAD. Его геометрия должна удовлетворять ГОСТ 11679.1-76 и ГОСТ 11679.2-76.
При выполнении этого расчета были приняты меры для уменьшения вычислительной нагрузки и повышения точности расчета, а именно — для расчета была взята только четверть модели, и геометрия была разбита так, чтобы расчетная сетка получилась целиком из гексаэдров.
Далее модель сохранялась в формате STEP для передачи в программу PrePoMax, в которой проводилась подготовка исходных данных для расчета и анализ результатов расчета. Подготовка заключалась в импорте геометрии модели, разбиении на конечные элементы и задании свойств материала, начальных и граничных условий (см. рисунок ниже).
Конечно-элементная сетка была создана только из гексаэдров типа C3D20, их количество почти составило 70000 элементов. Между элементами (пластина, втулка и резиновый слой) были заданы сопряжения. Закрепления были заданы в отверстия, это предотвратило перемещение во всех направления. На верхнюю грань цилиндрической втулки была приложена распределённая сила, равная четверти от максимальной рабочей нагрузки 35 Н. На гранях, по которым амортизатор был разрезан, установлено условие симметрии, т.е. запрет перемещения перпендикулярно граням.
После подготовки варианта расчета был проведен расчет методом конечных элементов с помощью CalculiX. При расчете использовался решатель Pardiso в параллельном режиме на компьютере с использованием 16 ядер процессора Intel Core i9-12900KF и 64 ГБ основной памяти.
Как видно из результатов расчета, перемещения центральной металлической втулки составляет 1,38 мм. Согласно ГОСТу11679.1-76, деформация при статическом сжатии под воздействием максимальной рабочей нагрузки должна соответствовать нормам при температуре 20°С и находится в пределах 1,2-2 мм.
Расчетное значение деформации согласуется с нормами, предъявляемыми к резинометаллическому амортизатору АП-3-35-1.