شماره ركورد
33935
پديد آورنده
محمد كامل خدابنده
عنوان
مدلسازي و بررسي پارامترهاي مختلف بر روي مشخصات مكانيكي فنرهاي مخروطي لاستيكي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي ماشينهاي ريلي
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/7/28
استاد راهنما
حبيب اله ملاطفي
استاد مشاور
حبيب اله ملاطفي
دانشكده
راهآهن
چكيده
اين پژوهش با هدف تحليل و مدلسازي رفتار مكانيكي فنرهاي لاستيكي مخروطي به انجام رسيده است. اين فنرها نقش بسيار حياتي در سامانههاي تعليق وسايل نقليه ريلي و حملونقل ايفا ميكنند؛ چراكه با جذب ارتعاشات و فراهم آوردن امكان جابهجايي و جبران انحراف محورها، راحتي حركت و عملكرد ديناميكي سامانه را بهبود ميبخشند. با اين وجود، به دليل رفتار غيرخطي و هايپرالاستيك مواد لاستيكي، پيشبيني پاسخ آنها دشوار است و اجراي آزمايشهاي تجربي گسترده نيز زمانبر و پرهزينه است. بنابراين، ضرورت اين تحقيق در استفاده از شبيهسازي عددي و روش اجزاي محدود براي دستيابي به مدلي دقيق و قابلاتكا جهت طراحي و بوميسازي اين قطعات است. در اين راستا، مدل سهبعدي فنر در نرمافزار اجزاي محدود آباكوس پيادهسازي شد و عملكرد سه مدل مادهي هايپرالاستيك شامل موني–ريولين، يئو و آرودا–بويس تحت بارگذاريهاي سهگانهي عمودي، عرضي و طولي مورد مقايسه قرار گرفت. همچنين، براي درك رفتار بنيادي و ذاتي مدلها و حذف اثرات هندسي، يك آزمون كشش تكمحوره استاندارد با استفاده از ضرايب استخراجشده از مراجع معتبر شبيهسازي گرديد. مقايسهي نتايج شبيهسازي با دادههاي آزمون آزمايشگاهي نشان داد كه مدل موني–ريولين به دليل وابستگي همزمان به نامتغيرهاي اول و دوم كرنشي، دقيقترين انطباق را در هر سه حالت بارگذاري ارائه داده است. اين مدل بهخوبي توانست پديدههاي پيچيده را پيشبيني كند؛ از جمله نرمي غيرمنتظره در راستاي طولي كه ناشي از جريان و لغزش ماده در اطراف حفرهها بود و سختي بالاي راستاي عرضي كه از مقاومت خمشي سازهاي هندسه ناشي ميشد. در مقابل، مدل يئو در بارگذاري عمودي رفتاري سختتر از واقعيت پيشبيني كرد و مدل آرودا–بويس نيز در تمام جهتها به دليل كاليبراسيون نادرست پارامترهاي فيزيكي خود، نتايجي نرمتر از مقدار واقعي ارائه داد.
در مرحلهي نهايي، مدل هندسي فنر مخروطي كه توسط شركت سازنده ارائه شده بود، در نرمافزار ساليدوركس بازطراحي گرديد تا اثر تغيير ضخامت رينگهاي فلزي داخلي بر رفتار كلي فنر بررسي شود. در اين بازطراحي، ضخامت دو رينگ داخلي از 6 ميليمتر به 3 ميليمتر كاهش يافت. نتايج تحليل عددي نشان داد كه اين تغيير منجر به افزايش جابجايي در راستاي عمودي به ميزان 94٪، در راستاي عرضي 71٪ و در راستاي طولي 47٪ گرديد. اين افزايش جابجايي بيانگر كاهش سختي مؤثر فنر و افزايش انعطافپذيري آن است كه ميتواند در بهينهسازي طراحي فنرهاي لاستيكي مخروطي و ارتقاي عملكرد ديناميكي سامانههاي تعليق نقش مؤثري ايفا نمايد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/08/07
عنوان به انگليسي
Modeling and Investigation of Various Parameters on the Mechanical Properties of Rubber Conical Springs
تاريخ بهره برداري
10/20/2025 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمد كامل خدابنده
چكيده به لاتين
This research was conducted with the aim of analyzing and modeling the mechanical behavior of conical rubber springs. These springs play a critical role in the suspension systems of railway vehicles and transportation systems, as they absorb vibrations and allow for displacement and compensation of axle misalignments, thereby improving ride comfort and the dynamic performance of the system. However, due to the nonlinear and hyperelastic nature of rubber materials, predicting their response is challenging, and conducting extensive experimental tests is both time-consuming and costly. Therefore, the necessity of this study lies in employing numerical simulations and the finite element method (FEM) to develop an accurate and reliable model for the design and localization of such components.
In this regard, a three-dimensional model of the spring was implemented in the ABAQUS finite element software, and the performance of three hyperelastic material models )Mooney–Rivlin, Yeoh, and Arruda–Boyce( was compared under three types of loading: vertical, lateral, and longitudinal. Furthermore, to better understand the fundamental and intrinsic behavior of the models and to eliminate geometric effects, a standard uniaxial tensile test (based on coefficients extracted from reliable references) was simulated. Comparison of the simulation results with experimental data revealed that the Mooney–Rivlin model, due to its simultaneous dependence on the first and second strain invariants, provided the most accurate agreement in all three loading conditions. This model successfully predicted complex phenomena such as the unexpected softness in the longitudinal direction, caused by material flow and slip around the cavities, and the higher stiffness in the lateral direction, resulting from the structural bending resistance of the geometry. In contrast, the Yeoh model overestimated stiffness under vertical loading, while the Arruda–Boyce model, due to improper calibration of its physical parameters, predicted unrealistically soft responses in all directions.
In the final stage, the conical spring geometry provided by the manufacturer was redesigned in SolidWorks to investigate the influence of varying the thickness of the internal metallic rings on the overall behavior of the spring. In this redesign, the thickness of the two inner rings was reduced from 6 mm to 3 mm. The numerical analysis results indicated that this modification led to an increase in displacement by 94% in the vertical direction, 71% in the lateral direction, and 47% in the longitudinal direction. This increase in displacement reflects a reduction in the effective stiffness of the spring and an enhancement in its flexibility, which can play a significant role in optimizing the design of conical rubber springs and improving the dynamic performance of suspension systems.
كليدواژه هاي فارسي
فنر مخروطي لاستيكي , مدلهاي هايپرالاستيك , بارگذاري چندمحوره , تست كشش تكمحوره
كليدواژه هاي لاتين
Conical rubber spring , Hyperelastic models , Multiaxial loading , Uniaxial tension test
Author
Mohammad Kamel Khodabandeh
SuperVisor
Habibollah Moltafati