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ABAQUS在轨道交通橡胶关节设计分析中的应用

张运珍黄友剑

中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司，412007

摘要:橡胶关节是一类橡胶和金属件复合而成的弹性连接体，根据常用的设计方案和结构特点，利用ABAQUS软

件分析影响橡胶关节的径向、轴向、偏转和扭转刚度的因素，详细介绍了凸出型芯轴球半径变化对四向刚

度的影响，从而为橡胶关节的结构设计提供有效指导。

关键词:橡胶关节、ABAQUS、因素、球半径、结构设计

现代轨道交通技术的发展，对乘车的安全性一般情况下，要求橡胶关节的各向刚度匹

和舒适性提出了更高的要求。而作为一类能传递配，其结构尺寸及其胶料的性能都直接影响到产

各向载荷的活动“关节”，橡胶关节能承受复杂品的性能，一次性设计出一个合格的球铰难度较

工作环境中，来自轴向、径向、偏转、扭转等多大，尤其是在产品试制过程中，如果没有其他辅

向载荷的疲劳作用和瞬时冲击。由于橡胶的粘弹助手段，则需要对产品结构及胶料硬度进行不断

性，橡胶关节不仅具有柔性联接的作用，而且还的更改，以达到刚度匹配。

具有缓冲振动冲击的作用，也不会产生机械摩目前，非线性有限元计算软件（如MSC.

擦，无需润滑，噪音低，结构简单，无需维护，MARC、ABAQUS等）发展迅速，计算精度也

故现在广泛应用于轨道交通中的柔性联接部位。有大幅提高，对橡胶产品的刚度计算结果与试验

橡胶关节的工作环境复杂，在设计时如何使实测结果基本一致。因此，在产品试制前期，用

各个方向的刚度性能相互匹配并满足技术要求有限元方法对产品刚度进行分析，不仅可以节约

是设计工作的要点和难点。特别是当系统对产品生产成本，而且可以成倍的缩短产品的开发周

的刚度性能要求较高时，结构的优化设计就显得期。

尤为重要。橡胶关节的设计方案有多种，从制造成本及

工艺考虑，以及对不断提高的刚度性能要求的满

1橡胶关节的结构设计

足，目前所用整体式外套比较普遍，将橡胶与金

根据其各向承载要求的不同，橡胶关节的设

属外套和金属芯轴通过高温硫化成一体。在满足

计方案有多种，且每种橡胶关节都有其各自独特

安装尺寸的前提前下，产品设计中影响各向刚度

的结构，但其基本结构大致相同，一般是由芯轴、

的主要参数有：(1)外套的内径尺寸及弧度大

外套和橡胶层组成。图1为典型橡胶关节的结构

小；(2)橡胶层的厚度；(3)胶料硬度；(4)对外

示意图。

套的预压缩量；(5)芯轴形状。此外，在橡胶与

外套、芯轴硫化面端部，橡胶自由面的设计也非

常重要，其端面大小和圆角的几何形状对疲劳强

度有较大影响，设计不当时，橡胶易出现严重的

折皱现象，引起应力集中，加快疲劳破坏。

本文通过使用非线性有限元计算软件

图1橡胶关节的结构示意图

ABAQUS，重点定性分析图1所示典型橡胶关

节采用芯轴凸出型时芯轴形状对其刚度性能的

影响。

2橡胶关节的有限元分析

2.1有限元模型的建立

(c)偏转加载——1/2（前后对称）结构模型以一种轨道交通用橡胶关节为例，其复杂

环境承载情况在产品设计中表现为四个方向的

加载变形，其径向、轴向、偏转、扭转的加载定

义如图2所示。

(d)扭转加载——1/2（左右对称）结构模型

图3橡胶关节有限元模型

图3所示的有限元模型的网格划分采用完全

积分和缩减积分，全部为八节点六面体单元。计

算工况见表1所示。

图2橡胶关节的加载定义图

表1计算工况

其四项加载的有限元模型（外套与芯轴中间

计算工况橡胶关节变形求解项目

为橡胶）分别如图3中的(a)、(b)、(c)、(d)

所示，其中(a)是径向加载模型——1/4结构模

径向2mm径向反力

型，(b)是轴向加载模型——轴对称模型，(c)

轴向10mm轴向反力

是偏转加载模型——1/2（前后对称）结构模型，

偏转5°偏转扭矩

(d)是扭转加载模型——1/2（左右对称）结构模

扭转6°扭转扭矩

型。

计算时设定橡胶关节的整体结构如图1所

示，设定最薄处橡胶厚度为10mm，外套结构保

持不变，胶料硬度（ShoreA）设定为65°，而

凸出型芯轴的球半径的变化大小为12mm，参数

变化见表2。

表2芯轴球半径参数变化

芯轴球半径R/mm最薄处橡胶硬度/mm

(a)径向加载——1/4结构模型

5410

6610

7810

9010

10210

(b)轴向加载——轴对称模型

2.2有限元分析结果

通过有限元分析，可以得到橡胶关节的径图6橡胶关节的偏转刚度曲线

向加载分析结果见如图4所示，其径向计算数据扭转加载分析结果如图7所示，其扭转计算

对比及变化率见表