气动钉枪橡胶缓冲垫的动力学仿真分析.pdf

2 0 1 3年 3月 第 4 2卷 第 3期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e D e s i g n a n d Manu f a c t u r i n g E n g i n e e ri n g Ma r ． 2 O l 3 V o 1 ． 4 2 No ． 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 55 0 9 X． 2 0 1 3 ． 0 3 ． 0 O 4 气动钉枪橡胶缓冲垫的动力学仿真分析 陈中哲， 章巧芳， 彭 伟 特种装备制造与先进加工技术教育音 浙江省重点实验室 浙江工业大学 ，浙江 杭州3 1 0 0 1 4 摘要 为得到气动钉枪橡胶缓冲垫的动态应力等响应， 以气动钉枪实测的压力作为边界条件， 利 用非线性动力学分析软件 L SD Y N A对橡胶缓冲垫承受枪针组件 冲击的动态过程进行 了数值模 拟研究。仿真结果得到的最大应力 出现部位与缓冲垫 实际破坏位置有较好的一致性。还进行 了 高速摄像 实验 ， 实验结果与仿真结果的对比验证 了仿真的可靠性。 关键词 气动钉枪 ； 橡胶缓冲垫； 动力仿真； 高速摄像 中图分类号 T P 2 9 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 XI 2 0 1 3 0 3 0 0 1 8 0 4 气动钉枪作为一种典型的手持式气动工具 ， 已 被广泛应用于建筑装潢 、 制造包装等行业。工作过 程中枪体底部的橡胶缓冲垫承受枪针组件的冲击， 起缓冲的作用。由于承受连续的冲击载荷 ， 使橡胶 缓冲垫成为气动钉枪的易损零件。 目前 ， 国内钉枪 企业所用的橡胶缓冲垫寿命较短， 因而直接影响了 气动钉枪整枪的寿命。 本文采用动力学数值模拟方法， 利用 L SD Y N A 软件， 对气动钉枪橡胶缓冲垫承受活塞冲击的动态 过程进行 了研究 ， 为后续 的结构改进和提高缓冲垫 寿命提供理论指导。 1 气动钉枪的冲击系统 气动钉枪是一种以高压气体为动力源的气动 工具 ， 其结构如图 1 所示 。活塞和枪针通过螺纹配 合构成枪针组件。当扣动扳机时， 高压气体快速进 入活塞上端气缸 ， 将压力作用在活塞上表 面， 此时 活塞下端流场气体压力与大气相同。由于活塞上 端的作用力 P 。 大于下端作用力 P ， 在二者的压力 差的驱动下枪针组件高速运动⋯。随着活塞的下 移 ， 气缸下部流场空间减小， 气体压力增大 。当活 塞到达下端时 ， 缓冲垫对其起到缓冲作用 。在活塞 的作用力下， 缓冲垫被压缩产生径向变形， 而缓冲 垫的径向变形将受到气缸的约束作用。 在活塞撞击缓冲垫的过程中， 涉及到活塞对缓 冲垫的动态冲击、 橡胶材料的非线性、 各零件之间 的接触非线性等问题， 很难用解析的方法对橡胶缓 弹簧 活塞 气缸 缓冲 图 1 气动钉枪 结构 示意图 上铝盖 ； 衡阀 手柄 枪针 枪嘴 冲垫的受冲击特性进行分析， 同时缓冲垫位于枪体 内部， 用实验的方法对其进行分析较为困难。因此 采用动态非线性有 限元软件 L SD Y N A对其进行 数值模拟分析。 2 模 型的建立与网格划分 橡胶缓 冲垫与其他零件的装配关系如下 缓 冲 垫底部 紧贴在枪嘴上表面 ， 顶部在工作状态下承受 来 自枪针组件的冲击力 ， 侧面与气缸接触。由于缓 冲垫在工作过程中只与枪嘴、 枪针组件及气缸有直 接关系， 因此分析中只建立这些零件的装配体， 然 后对该装配体进行分析， 并在不影响计算结果的条 件下， 对枪嘴、 枪针组件和气缸中不与缓冲垫接触 的部 分做 几何 简化 处理 ， 同时在 三维 造 型软件 收稿 日期 2 0 1 2- 0 82 9 作者简介 陈中哲 1 9 8 8 一 ， 男， 浙江金华人， 浙江工业大学硕士研究生， 主要研究方向为有限元仿真。 1 8 2 0 1 3年第3期 陈中哲 ， 等 气动钉枪橡胶缓冲垫的动力学仿真分析 P r o ／ E中建立几何模型。 将建立好的几何模 型导人软件 H y p e r m e s h中 进行 网格划分 ， 划分好的六面体 网格模型如图 2所 示 。 图2仿真分析 网格模 型 3 材料模型 橡胶材料属高分子聚合物材料， 是一种各向同 性的体积近似不可压缩材料。研究表明， 橡胶材料 的力学行为主要表现为准静态超 弹性 非线性 弹 性 与动态粘弹特性 应变率相关性 J 。描述超 弹性材料特性的理论之一是基于应变能密度函数 的大弹性变形本构理论 ， 目前得到广泛承认并在工 程中大量应用 的主要是广义 Mo o n e yR i v l i n应 变 能密度函数 _ 3 J 。橡胶不仅具 有高弹特性 ， 而且其 力学行 为是与应 变率相 关 的， 即具 有粘 弹性u 4 J 。 Y a n g L M和 S h i m等 对高应变率下橡胶的本构 响应进行了理论和实验研究。由于活塞撞击缓 冲 垫 的载荷为冲击载荷 ， 需考虑应变率的影响。综合 考虑求解需要和实验条件 ， 最终选取考虑简单应变 率效应的橡胶粘超弹性材料模型来模拟橡胶材料 ， 即 L SD Y N A 中的 7 7号材 料模 型 MA T H Y PERELAS TI C R U B B E R 。该模型用 2 参数 M o o n e y R i v l in 模型来表征橡胶的超弹性部分， 通过对标准 试件的单轴压缩实验来获取该橡胶材料压缩的应 力应变 曲线 如图 3所示 ， 然 后将 该 曲线输入到 关键字文件 中。对于橡胶的粘弹性部分 ， 该材料模 型考虑简单的速率效应， 通过实验获取所需 的应力 松弛曲线 ， 并输入到关键字文件 中， 应力松弛曲线 如图 4所示。 对于枪嘴、 气缸 、 枪针组件， 由于其材料为刚性 材料且变形量小， 而且是非 主要关心区域， 因此将 其处理为刚体， 以便简化计算。 S t rai n 图 3 压缩应 力 一 应 变曲线 Ti me ／ ms 图4应力松弛 曲线 4 边界条件 气动钉枪工作时， 实际的工况为活塞在上下端 气体压力差的作用下撞击缓冲垫 ， 因此如果要模拟 实际的工况， 需知在整个撞击过程中活塞上下端气 体压力随时间变化的曲线。通过在枪体上进行相 应的位置开孔 ， 并安装 P C B动态压力传感 器。通 过实验测得活塞上端气 体压力 随时间变化 的曲线 如图 5所示 ， 活塞下端气体压力 随时间变化的曲线 如图 6所示 。将实测压力曲线作 为边界条件施加 于活塞的有限元模型 。由于枪 嘴和气缸相对于活 塞静止 ， 故将枪嘴和气缸作为固定边界条件处理 。 缓冲垫工作状态下与气 缸、 枪嘴、 枪针组件发 生接触 ， 因此分别创建缓冲垫与气缸 、 缓 冲垫与枪 5 ． 0 1 4 ． O 1 0 3 ． 0 x 1 2 ． 0 1 1 ． 0 x1 0 5 l 0 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 T i me ／ ms 图 5 活塞上端 气体压 力随时间变化曲线 1 9 2 0 1 3年第3期 胡伟， 等 芜湖船舶产业集群发展模式与战略研究 学报 ， 2 0 0 1 6 6 3 6 6 ． [ 2 ] 陶永宏． 中国船舶工业产业集群实证研究与特点分析[ J ] ． 生 产力研究 。 2 0 0 6 4 1 8 01 8 2 ． [ 3 】 陶永宏， 冯俊文． 长三角船舶产业集群结构分析与实证研究 [ J ] ． 中国造船， 2 0 0 6 3 1 l 6 1 2 3 ． [ 4 ] 朱英明． 产业集群研究述评[ J ] ． 经济评论， 2 0 0 3 3 5 4 5 7 ． [ 5 ] 王缉慈． 关于用产业群战略发展我国造船业的政策建议[ J ] ． 地 域研究 与开发 。 2 0 0 2 9 1 5一l 8 ． [ 6j 陈军 ， 陶永宏 ． 产业集群形成模式 比较及启示 [ J ] ． 企业活力 ， 2 0 0 6 3 8 9 ． Re s e a r c h o n t h e De v e l o p me n t M o d e l a n d S t r a t e g i c o f W u h u S h i p I n d u s t r i a l Cl us t e r HU W e i ．YU Yi n g y i n g 1 ． A n h u i P r o v i n c e S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y I n f o r m a t i o n I n s t i t u t e ， A n h u i He f e i ， 2 3 0 0 0 1 ， C h i n a 2 ． A n h u i A n k a i A u t o L t d ． C o ． ， A n h u i H e f e i ， 2 3 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e r e s e a r c h o n t h e d e v e l o p me n t mo d e l a n d s t r a t e g i c o f s h i p i n d u s t ria l c l u s t e r i s t h e r e q u i r e me n t f o r e s t a b l i s h me n t o f d e v e l o p me n t p l a n n i n g a n d r e g i o n a l c o o r d i n a t e d d e v e l o p me n t s t r a t e g y ．I t a n a l y z e s t h e d e v e l o p m e n t m o d e l o f Wu h u s h i p i n d u s t r i a l c l u s t e r ， s h o w s t h a t t h e m o d e l i s j o i n t l y p romo t i n g w i t h g o v e m e n t a n d m a r k e t ， p rop o s e s t h e d e v e l o p me n t mo d e l a n d s t r a t e g i c o f Wu h u s h i p i n d u s t r i al c l u s t e r b a s e d o n t h e t h e o r y o f i n d u s t rial c l u s t e r d e v e l o p me n t ． Ke y wo r d s S h i p；I n d u s t ri al C l u s t e r ；P o l i c y S y s t e m；D i s l o c a t i o n C o mp e t i t i o n ；De v e l o p me n t S t r a t e g i c I 上接第 2 l 页 高速摄像实验对仿真结果的可靠性进行 了验证 ， 为 后续缓冲垫结构的优化提供了理论依据。 参考文献 [ 1 ] 毕向秋． 气动钉枪流场数值模拟及气动性能分析研究[ D ] ． 杭州 浙江工业大学 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 周相荣， 王强， 王宝珍． 一种基于 Y e o h函数的非线性粘超 弹本构模型及其在冲击仿真中的应用 [ J ] ．振动与冲击， 2 0 0 7 ， 2 6 5 3 33 7 ． [ 3 ] c h a r l to nD J ， Y a n g J 。 T e h KK ． A r e v i e w o f m e t h o d s to c h 跚c - [ 4 ] [ 5 ] t e r i z e r u b b e r e l a s t i c b e h a v i o r f o r U S e i n f i n i te e l e me n t a n a l y s i s [ J ] ．R u b b e r C h e mi c a l and T e c h n o l o g y ，1 9 9 4， 6 7 3 4 8 1 5 0 3 ． J 0 h n s o n A R．Q u i g l e y C J ．A v i s c o h y p e r e l a s t i c Ma x w e l l mode l f o r mb ber v i s c o e l a s t i c i t y [ J ] ．R u b b e r C h e mi s t r y a n d T e c h n o lo - g Y ，1 9 9 2 ，6 5 1 1 3 71 5 3 ． Ya n g L M ，S h i m V P W ， L i m C T． Vi sco h y p e r e l a s t ie a p p w a c h t o m ode l i n g t h e c o n s t i t u t i v e b e h a v i o u r o f b ber [ J ] ．1 n _ t e ma t io n al J o u r n a l o f I m p a c t E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 0， 2 4 6 5 4 5 5 6 0． The Dy na mi c S i mu l a t i o n Ana l y s i s o f Pn e u ma t i c Na i l Gun S Rub b e r Buffe r C HE N Z h o n g z h e 。 Z H A N G Q i a o f a n g ． P E N G We i Z h e j i a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，Z h e j i a n g H a n g z h o u ， 3 1 0 0 1 4， C h i n a Abs t r a c t I n o r d e r t o o b t a i n t h e i n f o rm a t i o n a b o u t t h e d y n a mi c s t r e s s o f t h e n a i l g u n g r u b b e r b u ff e r ．i t u s e s t h e me a s u r e d p r e s s u re o f p n e u ma t i c n a i l g u n a s t h e b o u n d a ry c o n d i t i o n．r e a l i z e s a n u me r i e a l s i mu l a t i o n o f t h e d y ． n a mi c p r o c e s s b a s e d o n t h e n o nl i n e a r d y n a mi c s o f t w a r e K SDYNA．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s h o ws t h e a c t u al f a i l u r e po s i t i o n o f the rub b e r b u ff e r ．F u r t h e r mo r e。i t d e s i g n s the h i g hs p e e d v e d i o e x p e ri me n t ． r } I e c o mpa r i s o n b e t we e n t h e e x p e ri me n t a l r e s u l t s a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s v e ri f y t h e r e l i a b i l i t y o f t h e s i mu l a t i o n ． Ke y wor ds Pn e u ma t i c Na i l Gu n；Rub b e r Bu ff e r ；Dy n a mi c S i mul a t i o n；Hi g hs p e e d Ve d i o 2 5