风电橡胶弹性支座动态承载特性研究

【摘要】：风力发电机机组运行时由于振动所导致的噪声、零部件磨损等问题是工程技术上急需避免的，橡胶材料制品以其小质量、大承载等特点成为风电机组中不可或缺的减振降噪部件，主要起到支撑、减振的作用。由于其工作环境比较恶劣，工况复杂多变，合理评估其动态承载性能对橡胶弹性元件的工程设计至关重要。经典的机械振动理论主要采用弹簧和粘壶来表示减振器或隔振器的承载与阻尼性能，用于表征橡胶弹性元件的动态承载力学性能时，由于其兼具承载特性与阻尼特性，且其承载特性与阻尼特性呈现非线性特征，还需要做更深入的研究。本文研究橡胶弹性元件的动态承载力学性能，对合理设计、使用橡胶弹性减振元件，为工程设计提供技术指导，具有现实意义。 本文以风力发电机机组橡胶弹性支座为对象，对其动态承载性能进行研究，主要做了以下三方面的工作： 首先，本文分析了橡胶弹性元件动、静态承载性能形成的机理—能量损耗与蠕变，基于机械振动理论，引入复刚度概念，依据达朗贝尔原理建立了风电减振系统动力学模型；以风电橡胶弹性支座为对象，分析橡胶材料在交变载荷下的承载特性与减振机理，导出了橡胶弹性元件复刚度的表达式，表征橡胶弹性元件的非线性承载和阻尼特性，合理地描述了橡胶弹性元件的动态承载性能，并将复刚度的实部参量定义为弹性刚度，区别于经典振动系统模型中的静刚度；采用国标GB/T15168-94《振动与冲击隔离器性能测试方法》中的椭圆法则，获得了复刚度表达式中弹性刚度与阻尼因子的计算方法。 其次，依据橡胶弹性支座动态承载性能的复刚度理论，分析影响橡胶弹性元件动态承载性能的机械载荷因素，基于正交试验设计，分别以机械载荷的频率、振幅及预载为实验因素，对橡胶弹性支座进行动态承载性能试验。根据实验结果分析弹性刚度、阻尼因子与频率、振幅及预载荷相关性，并采用方差和极差对实验影响因素的显著性进行识别，结果表明：橡胶弹性支座动态承载性能影响因素的显著性依次为载荷频率、载荷幅值、预载荷。 然后，基于橡胶材料超弹性本构理论，采用ABAQUS有限元分析软件，结合橡胶材料基础力学试验数据，选择三种超弹性本构模型—Mooney-Rivlin、Ogden、Van der Waals进行参数拟合，获得了模型参数；利用ABAQUS有限元软件建立了橡胶弹性支座的轴对称有限元模型，对橡胶弹性支座的动态承载特性进行数值模拟，并将橡胶弹性支座的弹性刚度与阻尼因子的模拟计算结果与动态承载特性试验结果进行对比验证，结论表明：对于压剪变形载荷工况，适合选用Van der Waals模型；Mooney-Rivlin模型适合中、小变形载荷工况；而Ogden3阶模型则更适合较大变形载荷工况。不同的本构模型适合的承载工况不同，为了提高有限元仿真精度，合理地选择本构模型显得尤其重要。 最后，对整个论文的主要工作和结论进行总结，并提出了今后研究工作的展望。 【关键词】：橡胶弹性支座 黏弹性 本构模型 复刚度 正交试验
【学位授予单位】：湖南工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM315
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-27
• 1.1 前言11-13
• 1.2 橡胶材料的特性及其工程应用13-18
• 1.2.1 橡胶材料的特性13-16
• 1.2.2 风电橡胶弹性支座的应用16-18
• 1.3 橡胶材料动静态承载性能国内外研究现状18-25
• 1.3.1 橡胶材料静态承载性能研究现状18-20
• 1.3.2 橡胶材料动态承载性能研究现状20-25
• 1.3.2.1 不考虑振幅相关性的黏弹性模型研究20-22
• 1.3.2.2 考虑振幅相关性的粘弹塑性叠加模型研究22-25
• 1.4 本课题研究意义、目的及内容25-27
• 1.4.1 研究意义25
• 1.4.2 研究目的25-26
• 1.4.3 研究内容26-27
• 第二章 橡胶材料本构模型及参数拟合27-40
• 2.1 常用橡胶材料超弹本构模型27-33
• 2.1.0 基本理论27-29
• 2.1.1 热力统计学模型29-31
• 2.1.2 唯象学理论模型31-33
• 2.2 橡胶材料基础力学试验及超弹本构参数拟合33-38
• 2.2.1 橡胶材料基础力学试验类型33-35
• 2.2.2 橡胶材料基础力学试验35-36
• 2.2.3 本构模型参数拟合36-38
• 2.3 橡胶材料黏弹力学模型及其参数拟合38-39
• 2.3.1 黏弹性本构关系的力学模型38
• 2.3.2 黏弹性参数拟合38-39
• 2.4 本章小结39-40
• 第三章 风电橡胶弹性支座动态承载特性分析方法40-48
• 3.1 风电橡胶弹性支座结构40-41
• 3.2 风电橡胶弹性支座动静态工作特性41-43
• 3.2.1 静态工作特性—蠕变41-42
• 3.2.2 动态工作特性—滞后效应42-43
• 3.3 交变载荷下橡胶弹性元件的力学特性43-47
• 3.3.1 单自由度系统动力学模型43-44
• 3.3.2 橡胶弹性元件的复刚度44-45
• 3.3.3 弹性刚度与阻尼因子的计算式45-47
• 3.4 本章小结47-48
• 第四章 风电橡胶弹性支座动态承载性能试验48-60
• 4.1 试验设计48-49
• 4.2 橡胶支座正交试验影响因素与水平49-50
• 4.3 正交试验表的选择50-51
• 4.4 正交试验51
• 4.5 正交试验结果分析51-56
• 4.5.1 频率相关性53-54
• 4.5.2 振幅相关性54-55
• 4.5.3 预载荷相关性55-56
• 4.6 极差与方差分析56-58
• 4.6.1 极差分析57
• 4.6.2 方差分析57-58
• 4.7 本章小结58-60
• 第五章 风电橡胶弹性支座动态承载特性数值模拟60-71
• 5.1 有限元分析方法概述及 ABAQUS 软件简介60-61
• 5.1.1 有限元分析方法概述60-61
• 5.2 风电橡胶弹性支座有限元分析61-68
• 5.2.1 有限元模型的建立61
• 5.2.2 载荷与边界条件61-62
• 5.2.3 模型及参数的选择62
• 5.2.4 有限元仿真结果62-68
• 5.2.4.1 M-R 本构模型62-64
• 5.2.4.2 Ogden 本构模型64-66
• 5.2.4.3 Van der Waals 本构模型66-67
• 5.2.4.4 弹性刚度与阻尼因子仿真结果67-68
• 5.3 风电橡胶弹性支座数值模拟与实验结果比较68-69
• 5.4 有限元仿真误差分析69-70
• 5.5 本章小结70-71
• 结语71-72
• 参考文献72-77
• 攻读学位期间发表的论文77-78
• 致谢78

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