Caratteristiche di rigidità del soffietto della corda

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3377 (2023) Citare questo articolo

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La struttura del soffietto in una molla pneumatica può essere costantemente rinforzata per far fronte al complicato ambiente di lavoro, ma esercita un effetto sempre più forte sulle caratteristiche di rigidità della molla pneumatica. Tuttavia non esiste una soluzione efficace per la soluzione parametrizzata della rigidità del soffietto della molla pneumatica. Con il metodo preciso della matrice di trasferimento, in questo documento sono state analizzate le caratteristiche di rigidità del soffietto di una molla pneumatica rinforzata con corda con formazione di avvolgimento in condizioni di precarico. La teoria del guscio sottile è stata utilizzata per risolvere il precarico del soffietto della molla pneumatica in condizioni di precarico. La precompressione è stata introdotta nell'equazione di equilibrio per il soffietto. Sulla base delle equazioni geometriche e fisiche per il soffietto con le complesse caratteristiche di avvolgimento della corda, è stato preso in prestito il metodo di integrazione precisa per costruire una matrice di trasferimento per il soffietto della molla pneumatica in condizioni di precarico. Il vettore di stato del soffietto nella molla pneumatica è stato risolto attraverso condizioni al contorno. Il metodo iterativo è stato adottato per sviluppare l'espressione delle caratteristiche di rigidezza del soffietto e combinato con il modello teorico di rigidezza pneumatica per risolvere le caratteristiche di rigidezza della molla pneumatica. Il confronto con i risultati dei test sul prototipo ha verificato la validità e la correttezza del modello teorico. Su questa base, abbiamo esplorato l’influenza delle condizioni di precarico, della struttura geometrica e delle caratteristiche del materiale sulle caratteristiche di rigidità della molla pneumatica. I risultati della ricerca forniranno indicazioni importanti per la progettazione strutturale e la selezione dei materiali delle molle ad aria rinforzate con corde con formazione ad avvolgimento.

Una molla pneumatica si affida alle caratteristiche di rigidità e smorzamento dell'aria compressa per isolare le vibrazioni e gli urti delle apparecchiature. Come isolatore di vibrazioni, è stato ampiamente applicato in veicoli e imbarcazioni per la riduzione delle vibrazioni e del rumore1,2,3,4,5. Rispetto ai veicoli, una nave offre uno spazio limitato per l'installazione di una molla pneumatica e richiede una maggiore capacità portante. Pertanto, la molla pneumatica per l'isolamento dalle vibrazioni in una nave deve essere caratterizzata da dimensioni ridotte e carico elevato. La pressione dell'aria operativa di una molla pneumatica in un recipiente è spesso maggiore di quella di una molla pneumatica in applicazioni generali. Per garantire l'affidabilità di una molla pneumatica in condizioni di elevata pressione interna o altri ambienti difficili, lo strato di scheletro della corda del suo soffietto deve essere costituito da una corda di maggiore resistenza e contenere più strati di corda rispetto alle normali molle ad aria.

Si ritiene comunemente che la rigidezza verticale di una molla pneumatica dipenda dalla forza di reazione generata dall'aria compressa contenuta nella molla pneumatica durante la sua deformazione verticale. Il soffietto esercita un piccolo effetto sulle caratteristiche di rigidità verticale della molla pneumatica. In un modello analitico semplificato per le caratteristiche di rigidezza di una molla pneumatica, l'effetto dei suoi soffietti è stato addirittura ignorato6,7. Una molla pneumatica deve far fronte alla crescente domanda di affidabilità, quindi la sua struttura a soffietto deve essere costantemente rinforzata, esercitando un effetto più forte sulle caratteristiche di rigidità della molla pneumatica. Pertanto, la rigidezza del soffietto non dovrebbe più essere ignorata e potrebbe addirittura diventare una componente predominante delle caratteristiche di rigidezza dopo aver superato la rigidezza pneumatica.

Il soffietto di una molla pneumatica è realizzato in compositi rinforzati con corde e matrice di gomma. È molto complicato costruire il suo modello meccanico a causa della sua anisotropia. Per questo motivo, gli studi si sono concentrati principalmente sulla rigidezza pneumatica nel modello meccanico per la parametrizzazione delle molle ad aria8,9,10,11. Il modello meccanico del soffietto di una molla pneumatica viene spesso analizzato utilizzando un modello equivalente o un modello agli elementi finiti. Non esiste ancora un modello parametrizzato efficace costruito per il soffietto di una molla pneumatica. Ad esempio, Erin e Wilson hanno analizzato le caratteristiche di rigidità di una molla pneumatica simulando le caratteristiche non lineari del suo soffietto attraverso la connessione parallela di una molla lineare, uno smorzatore e uno smorzatore isteretico12. Chen et al. proporre un modello di rigidezza della molla pneumatica comprendente un modello di previsione dei parametri strutturali e un modello di soffietto in gomma. Il modello a soffietto di gomma era un modello equivalente non lineare formato da un modello Kelvin–Voigt frazionario e un modello ad attrito regolare13. Zhu et al. costruito un modello universale di rigidità della molla pneumatica dopo aver preso in considerazione il contributo della termodinamica pneumatica interna e l'attrito della gomma e gli effetti viscoelastici della gomma del soffietto. Mantenendo il modello di attrito uniforme sviluppato da Berg, hanno ottenuto la deviazione standard dell'eccitazione di spostamento attraverso la statistica, e quindi hanno determinato i parametri del modello di attrito14,15,16. Shi et al.17 hanno costruito un modello agli elementi finiti della molla pneumatica e hanno adottato il metodo di analisi della sensibilità per esplorare l'influenza dei parametri geometrici sulle caratteristiche di rigidità della molla pneumatica. Wong et al.18 hanno utilizzato il software ABAQUS per descrivere le caratteristiche non lineari dei soffietti nella sezione dell'armatura e hanno costruito un modello agli elementi finiti per la molla pneumatica. Su questa base, hanno analizzato come le prestazioni meccaniche di una molla pneumatica fossero influenzate dall'angolo di avvolgimento della corda, dal raggio effettivo e dalla pressione interna iniziale.