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基于Mooney-Rivlin同步帶膠層的有限元分析

發布于:2023-04-05 21:06
有限元分析

      同步帶傳動是由一條內周表面設有等間距離的環形皮帶和具有應齒的帶輪所組成,運行時,帶齒與帶輪的齒槽相嚙合傳遞運動和動力。它是綜合了皮帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動各自優點的新型帶傳動。
      同步帶傳動具有準確的傳動比,無滑差,可獲得恒定的傳速比,傳動平穩,能吸振,噪聲小,傳動比范圍大,允許線速度高,傳動效率高,結構緊湊等優點,還適于多軸傳動,不需要潤滑,無污染,因而可在不允許有污染和工作環境較為惡劣的場合下正常工作,廣泛應用于汽車、紡織、機床、辦公機械、電動工具、家用電器、儀表儀器、儀器包裝機械、礦山、石油、化工等類型的傳動。
      有限元分析同步帶在傳動過程中受拉應力作用,這對膠層與強力層之間的結合產生影響,容易造成線層脫膠、張緊力松弛等失效形式,直接導致同步帶損壞。所以在同步齒形帶受拉時,對其膠層的應力應變的變化規律研究具有重要的意義。
      本文采用HTD590-5M型號,膠層材料為氯丁橡膠,節距為5mm的圓弧同步帶進行研究,齒形帶如圖1。
      Mooney-Rivlin本構模型是橡膠材料唯象理論的一種模型,此外還有Yeoh模型、Ogden模型。Mooney-Rivlin本構模型是在多項式應變能函數的基礎上提出來的。對于各向同性材料應變能密度分解為應變偏量能和體積偏量能兩部分,形式如下
      式中,W為應變能函數;f為應變偏量函數;g為體積應變能函數;I1、I2為第一和第二Green應變不變量,J是橡膠變形后與變形前的體積比;應變能密度函數W為變形張量I1、I2、I3的函數。
      式中,λ1、λ2、λ3是3個主伸長比,根據橡膠的不可壓縮性,有I3=1Di決定材料是否可壓縮,Cij為橡膠特性參數。Mooney-Rivlin本構模型就是多項式中N=1所得到的。如果材料視為不可壓縮的該模型可簡化為:
      Mooney-Rivlin本構模型可以很好地描述橡膠材料在80%以內的變形,并且具有很好的穩定性,由于同步帶拉伸屬于小應變變形,所以本文首選該模型。
      取生產HTD590-5M型號同步帶的氯丁橡膠z作為原料,根據國家標準GB/T528-2009制成啞鈴狀標準式樣如圖2,再。龋裕模担梗埃担屯綆У囊徊糠,去掉強力層制成長20mm×寬8mm×厚2.5mm的膠層如圖3。取兩種試件各2組每組4個進行單軸拉伸試驗。
      將準備好的試驗樣件在型號為Z2.5TH的電子萬能材料試驗機上做單軸拉伸試驗,下夾具固定不動,保持上夾具加載速度為100mm/min,試驗機的采樣頻率為1Hz,連續監測力和位移、應力和應變的變化值得到相關的單軸拉伸試驗數據,試驗設備如圖4和圖5。
      通過實驗測得橡膠標準試件和同步帶膠層試件力與位移關系的兩組數據,取其中一組拉伸力與位移相對集中的數據作為擬合本構參數和對比數據,拉伸力與位移關系如圖6和圖7。


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