聚安酯缓冲器力学分析

缓冲器是有轨行走起重机在发生碰撞时的重要保护装置 不仅能够吸收起 重机与起重机之间的碰撞能量 可用于防止起重机出轨 起到保护起重机 周 围设备以及工作人员生命安全的作用 由于聚氨酯缓冲器具有大变形吸收碰撞 动能的特点 以及重量轻 价格便宜 耐腐蚀等优点 近年来在起重行业得到 广泛应用 本文以有限元理论为基础 运用 ANSYS 有限元软件对直柱型及直柱 开槽型聚氨酯缓冲器的碰撞过程进行瞬态动力学分析与比较 1 聚氨酯缓冲器的碰撞特点 聚氨酯缓冲器在碰撞过程中 由于时间短暂 材料特殊 变形大 为非线 性冲击动力学问题 且具有以下特点 1 碰撞瞬间产生峰值动载荷 柔性撞击 大变形 高应变率 2 撞击载荷与结构动态响应之间存在耦合现象 3 大变形及聚氨酯材料引起几何 材料及接触非线性 在对缓冲器的建模及分析上 最大程度接近实物的结构参数和所受的真实 载荷 在对缓冲器弹性体的处理上进行了简化 因为缓冲器碰撞的瞬间就会将 小圆帽由点接触压成面接触 故将缓冲器顶部的小圆帽简化成圆柱体 开槽型 缓冲器上开有 3 道环形缓冲槽 建立的模型划分网格如图 1 所示 图 1 缓冲器的模型 a 直柱型 b 开槽型 2 直柱型与开槽型缓冲器的分析与比较 目前 大部分聚氨酯缓冲器采用直柱形式 也有部分企业采用在柱体上开 槽的缓冲器 通过对 2 种缓冲器的瞬态动力学分析 比较两者的性能 实际应用中 起重机的行驶速度 起重量等是变化的 因此缓冲器受到的 碰撞载荷大小也是变化的 在此分别对直柱型与开槽型的缓冲器施加不同的冲 击载荷 尺寸 材料参数均相同 进行求解处理后 分别得到各载荷对应的 z 向位移及应力图 如图 2 其中图 3 4 是载荷为 15 kN 时的应力图 图 2 载荷一位移曲线 1 直柱型 2 开槽型 图 3 直柱型应力图 1 起重机 2 直柱型缓冲器 3 钢制底座 4 切向滑移 5 固定端 图 4 开槽型应力图 1 起重机 2 开槽型缓冲器 3 钢制底座 4 切向滑移 5 固定端 由载荷一位移曲线可以看出 聚氨酯缓冲器的变形具有明显的非线性特性 载荷越大 变形越大 且随着形变量的增加 在缓冲器内部积聚的弹性势能 也不断增加 从而使得缓冲器的应变率减小 在相同载荷作用下 开槽的聚氨 酯缓冲器较直柱型的缓冲器压缩变形量大 H1 H2 D1 D2 由应力图可看出 聚氨酯缓冲器顶部与起重机发生接触摩擦作用 产生了 切向滑移 尺寸由分别变为 d0 d2 缓冲器底部由于与底座固联 限制了缓冲 器水平方向的移动 因此缓冲器底部切向应力值最大 缓冲器易在底部断裂 两者均与实际使用中断裂的位置相符 对于同样规格尺寸的直柱型与开槽型缓冲器 在受到 15 kN 的冲击载荷作 用时 进行分析计算后 获得缓冲器顶面和底面的应力的时间历程曲线 如图 5 6 所示 图 5 水平方向应力的时间历程曲线 1 直柱型底面 2 开槽型底面 3 直柱型顶面 4 开槽型顶面 图 6 垂直方向应力的时间历程曲线 1 直柱型底面 2 开槽型底面 3 直柱型顶面 4 开槽型顶面 由图 5 6 及应力图可以看出 在缓冲器碰撞的后期 由于积聚了大量的弹 性势能 从而产生回弹 随着时间增加 应力曲线产生下降趋势 缓冲器顶面 的应力曲线中间有所下降 这是因为缓冲器与起重机碰撞的开始只有顶部的小 圆帽与起重机接触 当缓冲器压缩到一定量时 缓冲器整个顶面都将与起重机 接触 此时缓冲器顶部的应力值将会有所减小 但随着压缩的进行 应力值又 将增加 在同样的情况下 直柱型缓冲器由于自身内部结构的相互限制 变形 后形成腰鼓形 不能充分发挥缓冲器的缓冲性能 且由于聚氨酯为低密度多孔 的泡沫材料 内部有很多气孔 使得缓冲器中间部分有可能产生爆裂 而开槽 型缓冲器自身结构之间的限制有所减小 从而压缩量更大 压缩过程更平缓 变形更加自由 形成弧形 使缓冲能力得到更充分的利用 由应力曲线看出 开槽后缓冲器底部的应力极值减小了 40 左右 而且曲线更加平缓 因此 开 槽后缓冲器的缓冲能力得到大幅度提高 增加了缓冲器的使用安全性 同时也 说明缓冲器寿命得到增加 4 结论 通过利用 ANSYS 有限元分析软件 完成了对聚氨酯缓冲器的瞬态动力分析 模拟了缓冲器的碰撞压缩过程 对直柱型与开槽型缓冲器的性能进行了比较 得出如下结论 1 聚氨酯缓冲器在受到碰撞压缩时的变形具有明显的非线性特性 随着载 荷的增加 缓冲器的应变率逐渐减小 2 聚氨酯缓冲器碰撞压缩后