Caractéristiques de rigidité du soufflet du cordon

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 3377 (2023) Citer cet article

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La structure du soufflet d'un ressort pneumatique peut être constamment renforcée pour faire face à l'environnement de travail complexe, mais elle exerce un effet de plus en plus fort sur les caractéristiques de rigidité du ressort pneumatique. Cependant, il n'existe aucun moyen efficace pour la solution paramétrée de la rigidité du soufflet du ressort pneumatique. Avec la méthode précise de la matrice de transfert, les caractéristiques de rigidité du soufflet d'un ressort pneumatique renforcé par un câble avec formation d'enroulement dans des conditions de précharge ont été analysées dans cet article. La théorie de la coque mince a été utilisée pour résoudre la précontrainte du soufflet du ressort pneumatique dans des conditions de précharge. La précontrainte a été introduite dans l'équation d'équilibre du soufflet. Sur la base des équations géométriques et physiques du soufflet présentant les caractéristiques complexes d'enroulement du cordon, la méthode d'intégration précise a été empruntée pour construire une matrice de transfert pour le soufflet du ressort pneumatique dans des conditions de précharge. Le vecteur d’état du soufflet du ressort pneumatique a été résolu à l’aide de conditions aux limites. La méthode itérative a été adoptée pour développer l’expression des caractéristiques de rigidité du soufflet et combinée avec le modèle théorique de rigidité pneumatique pour résoudre les caractéristiques de rigidité du ressort pneumatique. La comparaison avec les résultats des tests du prototype a vérifié la validité et l'exactitude du modèle théorique. Sur cette base, nous avons exploré l'influence des conditions de précharge, de la structure géométrique et des caractéristiques des matériaux sur les caractéristiques de rigidité du ressort pneumatique. Les résultats de la recherche fourniront des indications importantes pour la conception structurelle et la sélection des matériaux des ressorts pneumatiques renforcés par cordon avec formation d'enroulements.

Un ressort pneumatique s'appuie sur les caractéristiques de rigidité et d'amortissement de l'air comprimé pour isoler les vibrations et les impacts des équipements. En tant qu'isolateur de vibrations, il a été largement utilisé dans les véhicules et les navires pour réduire les vibrations et le bruit1,2,3,4,5. Par rapport aux véhicules, un navire offre un espace limité pour l’installation d’un ressort pneumatique et nécessite une plus grande capacité portante. Par conséquent, le ressort pneumatique destiné à l’isolation des vibrations dans un navire doit être caractérisé par une petite taille et une charge importante. La pression d'air de fonctionnement d'un ressort pneumatique dans un récipient est souvent supérieure à celle d'un ressort pneumatique dans les applications générales. Afin de garantir la fiabilité d'un ressort pneumatique sous une pression interne élevée ou dans d'autres environnements difficiles, la couche de squelette de cordon de son soufflet doit être constituée d'un cordon de résistance plus élevée et contient plus de couches de cordon que les ressorts pneumatiques ordinaires.

Il est communément admis que la rigidité verticale d'un ressort pneumatique dépend de la force de réaction générée par l'air comprimé contenu dans le ressort pneumatique lors de sa déformation verticale. Le soufflet exerce un petit effet sur les caractéristiques de rigidité verticale du ressort pneumatique. Dans un modèle analytique simplifié des caractéristiques de rigidité d'un ressort pneumatique, l'effet de son soufflet a même été ignoré6,7. Un ressort pneumatique est confronté à une demande croissante de fiabilité, c'est pourquoi sa structure à soufflet doit être constamment renforcée, exerçant ainsi un effet plus important sur les caractéristiques de rigidité du ressort pneumatique. Par conséquent, la rigidité du soufflet ne doit plus être ignorée et peut même devenir un composant prédominant des caractéristiques de rigidité après avoir dépassé la rigidité pneumatique.

Le soufflet d'un ressort pneumatique est constitué de composites renforcés par un cordon de caoutchouc. Il est très compliqué de construire son modèle mécanique en raison de son anisotropie. Pour cette raison, les études se sont principalement concentrées sur la rigidité pneumatique dans le modèle mécanique pour le paramétrage des ressorts pneumatiques8,9,10,11. Le modèle mécanique du soufflet d'un ressort pneumatique est souvent analysé à l'aide d'un modèle équivalent ou d'un modèle par éléments finis. Il n’existe pas encore de modèle paramétré efficace construit pour les soufflets d’un ressort pneumatique. Par exemple, Erin et Wilson ont analysé les caractéristiques de rigidité d'un ressort pneumatique en simulant les caractéristiques non linéaires de son soufflet grâce à la connexion parallèle d'un ressort linéaire, d'un amortisseur et d'un amortisseur hystérétique12. Chen et coll. a proposé un modèle de rigidité des ressorts pneumatiques comprenant un modèle de prédiction des paramètres structurels et un modèle de soufflet en caoutchouc. Le modèle à soufflet en caoutchouc était un modèle équivalent non linéaire formé d’un modèle Kelvin – Voigt fractionnaire et d’un modèle à friction douce13. Zhu et coll. construit un modèle universel de rigidité du ressort pneumatique après avoir pris en compte la contribution de la thermodynamique pneumatique interne et les effets de friction du caoutchouc et viscoélastiques du caoutchouc du soufflet. Tout en conservant le modèle de frottement lisse développé par Berg, ils ont obtenu l'écart type de l'excitation du déplacement grâce à des statistiques, puis ont déterminé les paramètres du modèle de frottement14,15,16. Shi et al.17 ont construit un modèle par éléments finis de ressort pneumatique et ont adopté la méthode d'analyse de sensibilité pour explorer l'influence des paramètres géométriques sur les caractéristiques de rigidité du ressort pneumatique. Wong et al.18 ont utilisé le logiciel ABAQUS pour décrire les caractéristiques non linéaires des soufflets dans la section des barres d'armature et ont construit un modèle par éléments finis pour le ressort pneumatique. Sur cette base, ils ont analysé comment les performances mécaniques d'un ressort pneumatique étaient affectées par l'angle d'enroulement du cordon, le rayon effectif et la pression interne initiale.