コードのベローズ剛性特性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 3377 (2023) この記事を引用

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空気ばねのベローズ構造は、複雑な作業環境に対応するために常に強化することができますが、空気ばねの剛性特性に与える影響はますます強くなります。 しかし、空気ばねのベローズ剛性をパラメータ化して解決する効果的な方法はありません。 この論文では、精密トランスファーマトリックス法を用いて、予荷重条件下での巻線形成を有するコード強化空気ばねのベローズ剛性特性を解析した。 薄殻理論は、予荷重条件下での空気ばねのベローズ予応力を解決するために使用されました。 プレストレスはベローズの平衡方程式に導入されました。 複雑なコード巻き特性を持つベローズの幾何学的および物理方程式に基づいて、精密な積分法を採用して、予荷重条件下での空気ばねのベローズの伝達マトリックスを構築しました。 空気ばねのベローズの状態ベクトルは、境界条件によって解決されました。 反復法を採用してベローズの剛性特性の式を開発し、空気圧剛性の理論モデルと組み合わせて空気ばねの剛性特性を解決しました。 プロトタイプのテスト結果との比較により、理論モデルの妥当性と正確さが検証されました。 これに基づいて、予圧条件、幾何学的構造、材料特性が空気ばねの剛性特性に及ぼす影響を調査しました。 研究結果は、巻線構造を備えたコード強化空気ばねの構造設計と材料選択に重要な指針を提供します。

空気ばねは、圧縮空気の剛性と減衰特性を利用して、機器の振動と衝撃を遮断します。 防振装置として、振動と騒音を低減するために車両や船舶に広く適用されています1、2、3、4、5。 船舶は車両に比べて空気ばねの設置スペースが限られており、より大きな支持力が必要となります。 したがって、容器内の防振用の空気ばねは、小型で大きな荷重を特徴とする必要があります。 容器内の空気ばねの作動空気圧力は、一般的な用途における空気ばねの動作圧力よりも大きいことがよくあります。 空気ばねは、高い内圧など過酷な環境下でも信頼性を確保するために、ベローズのコード骨格層に高強度のコードを使用する必要があり、通常の空気ばねよりも多くのコード層を使用しています。

空気ばねの垂直方向の剛性は、空気ばねの垂直方向の変形中に空気ばねに含まれる圧縮空気によって生成される反力に依存すると一般的に考えられています。 ベローズは空気ばねの縦方向の剛性特性に若干の影響を与えます。 空気ばねの剛性特性の簡略化された解析モデルでは、ベローズの効果はさえ無視されています6、7。 空気ばねの信頼性に対する要求はますます高まっており、ベローズ構造は常に強化されており、空気ばねの剛性特性に大きな影響を与えています。 したがって、ベローズ剛性はもはや無視されるべきではなく、空気圧剛性を超えて剛性特性の主要な要素になる可能性さえあります。

空気ばねのベローズは、ゴムマトリックスコードで強化された複合材料で作られています。 異方性があるため、機械モデルを構築するのは非常に複雑です。 このため、研究では主に空気ばねのパラメータ化のための機械モデルにおける空気圧剛性に焦点を当ててきました8、9、10、11。 空気ばねのベローズの機械モデルは、等価モデルまたは有限要素モデルを使用して解析されることがよくあります。 空気ばねのベローズ用に構築された効果的なパラメータ化されたモデルはまだありません。 例えば、Erin と Wilson は、線形ばね、ダンパー、およびヒステリシス ダンパーの並列接続を通じてベローズの非線形特性をシミュレートすることにより、空気ばねの剛性特性を解析しました12。 チェンら。 構造パラメータ予測モデルとゴムベローズモデルからなる空気ばね剛性モデルを提案しました。 ゴムベローズモデルは、分数ケルビン・フォークトモデルと滑らかな摩擦モデルから構成される非線形等価モデルであった13。 朱ら。 内部の空気圧熱力学の寄与と、ゴムの摩擦とベローズゴムの粘弾性効果を考慮した後、普遍的な空気ばね剛性モデルを構築しました。 Berg が開発した滑らかな摩擦モデルを維持しながら、統計によって変位励起の標準偏差を取得し、摩擦モデルのパラメータを決定しました 14,15,16。 Shi et al.17 は、空気ばねの有限要素モデルを構築し、感度解析手法を採用して、空気ばねの剛性特性に対する幾何学的パラメータの影響を調査しました。 Wong et al.18 は、ソフトウェア ABAQUS を利用して鉄筋部分のベローズの非線形特性を記述し、空気ばねの有限要素モデルを構築しました。 これに基づいて、空気ばねの機械的性能がコードの巻き付け角度、有効半径、初期内圧によってどのように影響されるかを分析しました。