Características de rigidez do fole do cordão

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 3377 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A estrutura do fole em uma mola pneumática pode ser constantemente reforçada para lidar com o complicado ambiente de trabalho, mas exerce um efeito cada vez mais forte nas características de rigidez da mola pneumática. No entanto, não existe uma forma eficaz de solução parametrizada da rigidez do fole da mola pneumática. Com o método preciso da matriz de transferência, as características de rigidez do fole de uma mola pneumática reforçada com cordão com formação enrolada sob condições de pré-carga foram analisadas neste artigo. A teoria da casca fina foi usada para resolver a pré-tensão do fole da mola pneumática sob condições de pré-carga. O pré-esforço foi introduzido na equação de equilíbrio do fole. Com base nas equações geométricas e físicas para o fole com características complexas de enrolamento de corda, o método de integração preciso foi emprestado para construir uma matriz de transferência para o fole da mola pneumática sob condições de pré-carga. O vetor de estado do fole na mola pneumática foi resolvido através de condições de contorno. O método de iteração foi adotado para desenvolver a expressão para as características de rigidez do fole, e combinado com o modelo teórico de rigidez pneumática para resolver as características de rigidez da mola pneumática. A comparação com os resultados dos testes do protótipo verificou a validade e correção do modelo teórico. Com base nisso, exploramos a influência das condições de pré-carga, da estrutura geométrica e das características do material nas características de rigidez da mola pneumática. Os resultados da pesquisa fornecerão orientação significativa para o projeto estrutural e seleção de materiais de molas pneumáticas reforçadas com cordão com formação sinuosa.

Uma mola pneumática depende da rigidez e das características de amortecimento do ar comprimido para isolar a vibração e o impacto do equipamento. Como isolador de vibrações, tem sido amplamente aplicado em veículos e embarcações para redução de vibrações e ruídos1,2,3,4,5. Em comparação com os veículos, uma embarcação oferece um espaço limitado para a instalação de uma mola pneumática e requer maior capacidade de carga. Portanto, a mola pneumática para isolamento de vibração em uma embarcação deve ser caracterizada por tamanho pequeno e grande carga. A pressão de ar operacional de uma mola pneumática em um recipiente é frequentemente maior do que a de uma mola pneumática em aplicações gerais. Para garantir a confiabilidade de uma mola pneumática sob alta pressão interna ou outros ambientes agressivos, a camada do esqueleto do cordão de seu fole deve ser feita de cordão de maior resistência e conter mais camadas de cordão do que as molas pneumáticas comuns.

Acredita-se comumente que a rigidez vertical de uma mola pneumática depende da força de reação gerada pelo ar comprimido contido na mola pneumática durante sua deformação vertical. O fole exerce um pequeno efeito nas características de rigidez vertical da mola pneumática. Num modelo analítico simplificado para as características de rigidez de uma mola pneumática, o efeito do seu fole foi até ignorado6,7. Uma mola pneumática enfrenta uma demanda crescente por sua confiabilidade, portanto sua estrutura de fole precisa ser constantemente reforçada, exercendo um efeito mais forte nas características de rigidez da mola pneumática. Portanto, a rigidez do fole não deve mais ser ignorada, podendo até se tornar um componente predominante das características de rigidez após ultrapassar a rigidez pneumática.

O fole de uma mola pneumática é feito de compósitos reforçados com matriz de borracha. É muito complicado construir seu modelo mecânico devido à sua anisotropia. Por esse motivo, os estudos têm focado principalmente na rigidez pneumática no modelo mecânico para parametrização de molas pneumáticas8,9,10,11. O modelo mecânico para o fole de uma mola pneumática é frequentemente analisado usando um modelo equivalente ou um modelo de elementos finitos. Ainda não existe um modelo parametrizado eficaz construído para o fole de uma mola pneumática. Por exemplo, Erin e Wilson analisaram as características de rigidez de uma mola pneumática simulando as características não lineares de seu fole através da conexão paralela de uma mola linear, um amortecedor e um amortecedor histerético12. Chen et al. apresentou um modelo de rigidez de mola pneumática compreendendo um modelo de previsão de parâmetros estruturais e um modelo de fole de borracha. O modelo de fole de borracha era um modelo equivalente não linear formado por um modelo Kelvin-Voigt fracionário e um modelo de atrito suave13. Zhu et al. construiu um modelo universal de rigidez da mola pneumática depois de levar em consideração a contribuição da termodinâmica pneumática interna e o atrito da borracha e os efeitos viscoelásticos da borracha do fole. Mantendo o modelo de atrito suave desenvolvido por Berg, obtiveram o desvio padrão da excitação do deslocamento por meio de estatísticas e, a seguir, determinaram os parâmetros do modelo de atrito . Shi et al.17 construíram um modelo de elementos finitos de mola pneumática e adotaram o método de análise de sensibilidade para explorar a influência de parâmetros geométricos nas características de rigidez da mola pneumática. Wong et al.18 utilizaram o software ABAQUS para descrever as características não lineares do fole na seção do vergalhão e construíram um modelo de elementos finitos para a mola pneumática. Com base nisso, eles analisaram como o desempenho mecânico de uma mola pneumática era afetado pelo ângulo de enrolamento do cabo, raio efetivo e pressão interna inicial.