Análisis de la rigidez y el rendimiento de amortiguación de la ballesta compuesta

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 6842 (2022) Citar este artículo

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El diseño liviano de las ballestas contribuye a reducir el consumo de combustible y mejorar la comodidad del vehículo. El peso de la ballesta se puede reducir obviamente mediante el uso de material compuesto. La rigidez y la amortiguación son los factores clave que afectan las propiedades de la ballesta. La influencia del ángulo de colocación de la fibra de vidrio y el contenido de volumen sobre la rigidez y la amortiguación de la ballesta compuesta se analizó a través de experimentos y simulaciones. Los resultados muestran que las propiedades de rigidez y amortiguamiento de las ballestas están relacionadas con el ángulo de colocación de las fibras y el contenido de volumen de fibras. Cuando el contenido de volumen y el número de capas son constantes, la rigidez muestra una relación decreciente no lineal con el ángulo de colocación, y el coeficiente de amortiguamiento aumenta linealmente con el ángulo de colocación. Cuando el ángulo de colocación y el número de capas son constantes, la rigidez aumenta linealmente con el contenido de volumen de fibra; el coeficiente de amortiguamiento tiene una relación decreciente no lineal con el contenido de volumen de fibra. El tipo de investigación puede proporcionar una base teórica y una referencia para el diseño, análisis y optimización de ballestas compuestas.

Debido a las necesidades de protección ambiental, ahorro de energía y reducción de emisiones, el peso ligero se ha convertido en la tendencia actual del desarrollo de automóviles. Además, los vehículos ligeros también pueden mejorar la potencia, el confort, ahorrar materiales y reducir costes1. La tecnología de automóviles ligeros es la aplicación integrada de tecnología de diseño, materiales y fabricación. Las dos formas principales de lograr un peso ligero son el diseño de optimización estructural y la aplicación de nuevos materiales. En comparación con el acero de la misma estructura, el uso de materiales compuestos puede reducir en gran medida el peso, especialmente el desarrollo de materiales compuestos de baja densidad proporciona más potencial para automóviles ligeros2. Entre muchos materiales compuestos, los compuestos de matriz de resina de fibra de vidrio tienen las características de menor densidad, mayor resistencia y rigidez, buena elasticidad y resistencia a la corrosión, etc. Y los materiales compuestos se han utilizado ampliamente en la industria aeroespacial, automotriz, fabricación de maquinaria y otros campos3, 4. La mayoría de los elementos elásticos del sistema de suspensión de los vehículos comerciales son ballestas. Sin embargo, el peso de la ballesta es grande y el rendimiento de amortiguación es deficiente, lo que no favorece la ligereza y la comodidad del vehículo. Con el fin de reducir el peso de la suspensión y mejorar el rendimiento de amortiguación de la suspensión, la ballesta compuesta se ha convertido en el principal objeto de investigación5,6.

Como uno de los métodos efectivos para reducir la vibración y el ruido del chasis del automóvil, la ballesta compuesta reforzada con fibra de vidrio ha recibido mucha atención en los últimos años. Ke et al.7 introdujeron el método de diseño de ballestas, cálculo de rigidez y optimización. Guduru et al.8 desarrollaron un tipo de ballesta compuesta monolítica de resina epoxi de fibra de vidrio, que redujo el peso en un 69,4% en comparación con la ballesta. A través del estudio de las propiedades mecánicas de diferentes materiales compuestos, se obtuvo el material más adecuado para la preparación de resortes de una sola hoja. Al-Obaidi et al.9 estudiaron las propiedades mecánicas de los materiales compuestos para fabricar ballestas. Los resultados muestran que la capacidad de carga de las ballestas compuestas está relacionada con el ángulo de colocación y el contenido de volumen de la fibra, y el tipo de matriz tiene un efecto significativo en la rigidez. Nishant Varma et al.10 demostraron que la frecuencia natural de la ballesta compuesta es un 93% mayor que la de la ballesta. Chavhan et al.11 prepararon una ballesta compuesta de resina epoxi de fibra de vidrio E y estudiaron sus propiedades mecánicas. Los resultados mostraron que la resistencia de la ballesta compuesta era similar a la de la ballesta de acero, pero el peso de la ballesta compuesta se redujo en un 79,13 %. Los autores introducen que la ballesta compuesta es simple de fabricar en el papel, pero creo que esta conclusión no es rigurosa. La fabricación de ballestas compuestas debe considerar varios factores, como el peso ligero, la rigidez, la resistencia, la fatiga, la deformación, etc. Y el proceso de fabricación también es bastante complicado; de lo contrario, la muestra de ballestas no se puede utilizar en el vehículo real. Umanath et al.12 introdujeron el método de fabricación de la ballesta con fibra de carbono y fibra de piña como material compuesto. En el artículo se compararon la resistencia y la rigidez de las dos ballestas compuestas. Antes de comparar la resistencia y la dureza de los diferentes tipos de ballestas compuestas, el ángulo de disposición de las fibras, el contenido de volumen y la rigidez de la ballesta deben controlarse de la misma manera. Al mismo tiempo, el rendimiento de fatiga también es un rendimiento importante del resorte de lámina, y no hay un análisis comparativo en este documento. Rajendran et al.13 introdujeron que, bajo los mismos parámetros de diseño y condiciones de optimización, se puede reducir el 75,6 % del peso utilizando un resorte de una hoja en lugar de un resorte de siete hojas. La deformación de la ballesta tiene una gran influencia en la comodidad de conducción y el rendimiento de manejo del vehículo. Cuando los autores optimizaron la ballesta compuesta, los objetivos de optimización seleccionados fueron el peso, la rigidez y la resistencia de la ballesta, y el factor de deformación de la ballesta se debe considerar al mismo tiempo. Hajime Kishi et al.14 introdujeron la preparación de laminados compuestos mediante el proceso de moldeo por vertido al vacío y compararon las propiedades mecánicas de los laminados de fibra de vidrio con ángulos de colocación de ± 60° y ± 45°. Los laminados compuestos son estructuras ligeras y de paredes delgadas, y sus características de amortiguación se ven fácilmente afectadas por la masa del sensor y la amortiguación del aire. Los autores deben considerar los factores anteriores en el proceso de investigación. Los efectos de diferentes métodos de estratificación y tratamientos químicos sobre las propiedades mecánicas y las propiedades de vibración libre de los compuestos se discutieron en la literatura15. Margherita Basso et al.16 describieron el comportamiento no lineal de compuestos poliméricos reforzados con fibra de vidrio corta a través de la prueba de fluencia a la tracción y la prueba de degradación de la rigidez.

La ballesta compuesta reforzada con fibra se compone de más de dos tipos de materiales poliméricos con diferente módulo y resistencia. Al cambiar el contenido, el tipo, la dirección y el orden de cada material componente, se puede obtener un resorte compuesto con diferentes propiedades mecánicas. Sin embargo, debido a la anisotropía y las características no lineales de los compuestos reforzados con fibra de vidrio17, se vuelve difícil estudiar teóricamente las características dinámicas de los resortes de hojas compuestas.

Aunque hay muchos estudios relacionados, la mayoría de ellos se centran en el análisis teórico y el análisis de simulación de elementos finitos de las propiedades mecánicas de las ballestas compuestas. Hay poca literatura sobre la investigación experimental de las propiedades mecánicas de los resortes de láminas compuestas. En este documento, se estudiaron las propiedades de rigidez y amortiguación de la ballesta compuesta de matriz de resina de fibra de vidrio, y se estudiaron en detalle los efectos del contenido de volumen de fibra y el ángulo de colocación sobre la rigidez y la amortiguación. En este trabajo se promueve el desarrollo de materiales compuestos reforzados con fibra en el campo de la reducción de vibraciones de suspensión y aligeramiento automotriz.

En este documento, la fibra de vidrio PPG2026 se selecciona como material reforzado y el poliuretano MAX2 se selecciona como material de matriz. La fibra de vidrio PPG2026 pertenece a la fibra de vidrio E, producida por PPG Industries, EE. UU. Tiene excelentes propiedades mecánicas y puede formar una interfaz excelente con la matriz de resina para mejorar el rendimiento de fatiga de la ballesta compuesta. El poliuretano MAX2 tiene las características de alta resistencia, resistencia al desgarro, resistencia a la abrasión, etc., y puede formar una excelente unión de interfaz con la fibra de vidrio. Los parámetros de propiedad de los materiales se muestran en la Tabla 1.

La ballesta de material compuesto es una estructura de tablero multicapa unida por múltiples tableros de una sola capa de acuerdo con un ángulo de colocación y un orden de colocación específicos. Sus propiedades mecánicas dependen del rendimiento, contenido y ángulo de colocación de la fibra de vidrio18. El contenido volumétrico de fibra de vidrio es un parámetro de rendimiento importante del laminado de poliuretano/fibra de vidrio E. Un contenido de volumen de fibra demasiado pequeño no puede aumentar el efecto. Cuando la deformación de la matriz es mayor, la fibra se romperá. Si el contenido de volumen de fibra es demasiado alto, la resistencia del material compuesto será mayor, pero la fluidez de la resina se deteriorará y el rendimiento de amortiguación de la ballesta compuesta también disminuirá19. Teniendo en cuenta de manera integral las propiedades mecánicas de los materiales compuestos, se prepararon ballestas compuestas con un ángulo de colocación de 0° y el contenido volumétrico de fibra de vidrio electrónico fue del 40 %, 60 % y 80 %, respectivamente. Según la distribución de las fibras de vidrio en la matriz, los laminados compuestos se pueden dividir en laminados unidireccionales y laminados multidireccionales, y los laminados unidireccionales son fibras que se disponen en la misma dirección a partir de múltiples capas unidireccionales. Los laminados multidireccionales son fibras hechas de múltiples capas unidireccionales dispuestas en diferentes direcciones20. Se prepararon ballestas compuestas con un contenido volumétrico de fibra del 60% y el ángulo de colocación fue de 0°, 45° y 90°, respectivamente. La estructura de ballesta compuesta se muestra en la Fig. 1a.

La estructura de ballesta compuesta; (a) el modelo 3D de ballesta; (b) la estructura de conexión frontal; (c) la estructura de conexión intermedia; (d) la estructura de conexión trasera.

La ballesta compuesta se compone de un cuerpo de ballesta, una estructura de conexión frontal, una estructura de conexión trasera y una estructura de conexión intermedia. El cuerpo de la ballesta tiene forma parabólica, y una estructura de protuberancia está diseñada en el medio del cuerpo de la ballesta, y la estructura de protuberancia está conectada con la estructura de conexión intermedia para transmitir cargas longitudinales y cargas laterales. La figura 1b es una estructura de conexión frontal que consta de una junta metálica frontal y un buje de goma, que se conecta al extremo frontal del cuerpo de la ballesta mediante pernos. La figura 1c muestra la estructura de conexión intermedia, que consta de una placa de metal inferior, una placa de metal superior y una placa de metal con perno en U. La figura 1d es una estructura de conexión trasera que consta de una junta metálica delantera y un buje de goma, que se conecta al extremo trasero del cuerpo de la ballesta a través de pernos.

En este documento, se utiliza un proceso de moldeo por transferencia de resina a alta presión (proceso HP-RTM para abreviar) para preparar ballestas compuestas de poliuretano de fibra de vidrio E. El proceso HP-RTM usa alta presión para mezclar la resina e inyectarla en un molde sellado al vacío con materiales reforzados con fibra e insertos preestablecidos de antemano. Después del llenado, la impregnación, el curado y el desmoldeo del flujo de resina, se obtiene el proceso de moldeo de los productos compuestos21,22. Para optimizar las propiedades mecánicas de la resina de poliuretano, también es necesario utilizar un horno para el poscurado del cuerpo de ballesta. Los especímenes de prueba finales de ballestas compuestas se muestran en la Tabla 2.

Debido al largo ciclo de trabajo y al alto costo de hacer ballestas compuestas, es difícil hacer más muestras con diferentes ángulos de colocación y diferentes contenidos de volumen. Con el fin de obtener más datos, en este trabajo se estableció el modelo de elementos finitos de ballesta compuesta.

El modelo 3D de la ballesta compuesta se importó al software HYPERMESH, el modelo se dividió en mallas sólidas y el tipo de elemento era el elemento C3D8I. La Figura 2 es un modelo de elementos finitos de ballesta con 457 482 elementos y 518 750 nodos. El modelo de elementos finitos se importó al software ABAQUS en forma de un archivo INP, y las propiedades del material del modelo se establecieron de acuerdo con los datos de la Tabla 1. El grado de libertad en la dirección Ry del buje de goma A en el se libera la estructura de conexión delantera, se liberan los grados de libertad en las direcciones X y Ry del casquillo de goma B en la estructura de conexión trasera.

El modelo de elementos finitos de la ballesta compuesta.

Al simular la rigidez estática de la ballesta, la excitación del desplazamiento en la dirección z se aplica lentamente a la estructura C conectada en el medio, y la rigidez estática se calcula de acuerdo con la curva fuerza-desplazamiento de la estructura C conectada en el medio. Al simular la estructura dinámica rigidez del resorte de hoja, se aplica una precarga al resorte de hoja, y la amplitud de desplazamiento en la dirección Z es de ± 10 mm, y la frecuencia de carga es de 4 Hz. Al simular el coeficiente de amortiguamiento de la ballesta, la excitación transitoria de desplazamiento del pulso en dirección Z se aplica a la estructura C conectada en el medio, y el coeficiente de amortiguamiento se calcula de acuerdo con la curva de dominio de tiempo de aceleración de la estructura C conectada en el medio.

La prueba de banco de rigidez del resorte de hoja compuesto se muestra en la Fig. 3a. Las orejetas en ambos extremos del resorte de hoja compuesto se instalan respectivamente en la abrazadera respectivamente. Cuando la ballesta se deforma, la abrazadera se puede enrollar a lo largo de la dirección de extensión de la ballesta en el banco de pruebas para simular el estado de funcionamiento real de la ballesta compuesta. El actuador del banco está controlado por un servosistema hidráulico. La carga del actuador durante la prueba se recoge mediante un sensor de fuerza en el medio de la muestra de ballesta, y el desplazamiento vertical del actuador durante la prueba se mide con un pie de rey. La pendiente de la curva de carga-desplazamiento del actuador es la rigidez del resorte de hoja compuesto. La deflexión dinámica máxima de la ballesta compuesta diseñada en este documento es de 140 mm. Primero, se aplica un desplazamiento vertical a la muestra a través del actuador, el desplazamiento vertical se incrementa gradualmente de 0 a 140 mm y la carga vertical del actuador se registra cada 5 mm. En segundo lugar, el desplazamiento vertical impuesto por el actuador sobre la muestra se redujo gradualmente de 140 a 0 mm, y la carga vertical del actuador se registró cada 5 mm.

Prueba de propiedades mecánicas de ballestas compuestas; (a) la prueba de rigidez; (b) la prueba de amortiguamiento.

Debido a que el deslizamiento relativo entre la fibra de vidrio y la matriz de poliuretano consume mucha energía y la viscoelasticidad inherente de Matrix, el compuesto de poliuretano de fibra de vidrio tiene buenas propiedades de amortiguación. La amortiguación de la ballesta compuesta proviene principalmente de la viscoelasticidad del propio material compuesto y de la fricción interna de la ballesta. El amortiguamiento generalmente se expresa mediante el coeficiente de amortiguamiento. Debido a la gran rigidez de la ballesta compuesta, es difícil medir su coeficiente de amortiguamiento mediante el método de prueba de banco. En este documento, la muestra de ballesta se instala en el eje trasero del vehículo y las características de amortiguación de la muestra se prueban mediante el método de rodadura hacia abajo. Para evitar el impacto del amortiguador en los resultados de la prueba, se retiró el amortiguador de la suspensión trasera del vehículo antes de la prueba de amortiguación. La prueba de amortiguación utiliza el sistema de prueba LMS TEST.LAB y el sensor de aceleración de vibración de tres vías de PCB. El sensor está dispuesto en el bastidor por encima del eje trasero del vehículo, como se muestra en la Fig. 3b. Se recopila la señal de aceleración del sensor de vibración en el marco y se calcula el coeficiente de amortiguación del resorte de hoja compuesto de acuerdo con la relación de atenuación de amplitud de la curva de atenuación de vibración libre.

La rigidez de la ballesta compuesta está determinada por las propiedades mecánicas de cada placa de una sola capa y se ve afectada por factores como el contenido de volumen de la fibra de vidrio, el número de capas, el ángulo de colocación y la temperatura de trabajo. Para analizar la influencia del ángulo de colocación sobre la rigidez de la ballesta compuesta, se seleccionaron las probetas 1, 2 y 3 para ensayos de comparación de rigidez. Los resultados de la prueba de rigidez se muestran en la Fig. 4.

Curvas de rigidez de ballestas con diferentes ángulos de colocación; (a) datos de prueba de las muestras 1; (b) datos de prueba del espécimen 2; (c) Datos de prueba del espécimen 3.

Las Figuras 4a–c muestran las curvas de rigidez de ballestas compuestas con diferentes ángulos de colocación cuando el contenido volumétrico de fibra de vidrio es del 60 %. Las curvas muestran que el ángulo de colocación de la fibra tiene un efecto significativo en la rigidez del resorte de lámina compuesta. El área encerrada por el bucle de histéresis es el trabajo realizado por la carga aplicada, que disminuye con el aumento del ángulo de colocación. Bajo las mismas condiciones de desplazamiento, cuanto mayor sea el área, mayor será la rigidez de la ballesta compuesta. La rigidez de las probetas 1, 2 y 3 es de 118,3 N/mm, 87,8 N/mm y 70,3 N/mm, respectivamente. Cuando el ángulo de colocación es de 0°, la rigidez es máxima, cuando el ángulo de colocación es de 90°, la rigidez es mínima.

La Figura 5 es la simulación y las curvas experimentales de ballesta con diferentes ángulos de colocación. Cuando el ángulo de colocación es de 0°, la concordancia entre el resultado de la prueba de rigidez estática y el resultado de la simulación de la rigidez estática es del 98,5 %, cuando el ángulo de colocación es de 45°, la concordancia es del 96,3 % y cuando el ángulo de colocación es de 90° , la concordancia es del 95,8%. Los resultados de la comparación muestran que el modelo de elementos finitos de la ballesta compuesta es correcto. La rigidez dinámica de la ballesta es mayor que la rigidez estática, y la diferencia entre los dos datos aumenta con el aumento del ángulo de plegado. Los datos experimentales y los datos de simulación muestran que cuando el contenido de volumen y el número de capas son constantes, cuanto mayor es el ángulo de colocación, menor es la rigidez y tiene una relación decreciente no lineal con el ángulo de colocación.

La simulación y las curvas experimentales de ballestas con diferentes ángulos de colocación.

Para una ballesta compuesta con un ángulo de tracción de 0°, el contenido de volumen de fibra de vidrio afecta principalmente al módulo de tracción longitudinal. Cuanto mayor es la fracción de volumen de fibra, mayor es el módulo de tracción longitudinal y mayor es la rigidez de la ballesta. Con el fin de analizar cuantitativamente la relación entre la rigidez de la ballesta compuesta y el contenido volumétrico de fibra de vidrio, se seleccionaron las probetas 1, 4 y 5 para las pruebas de comparación de rigidez. Las Figuras 6a–c muestran las curvas de rigidez de ballestas compuestas con diferente contenido de volumen de fibra cuando el ángulo de colocación es 0°. La rigidez de las probetas 4, 1 y 5 es de 95,7 N/mm, 118,3 N/mm y 137,1 N/mm respectivamente. Cuando el contenido en volumen de fibras es del 40%, la rigidez es mínima, cuando el contenido en volumen de fibras es del 80%, la rigidez es máxima.

Curva de rigidez de ballesta compuesta con diferente contenido de volumen de fibra; (a) datos de prueba del espécimen 4; (b) datos de prueba del espécimen 1; (c) datos de prueba del espécimen 5.

La figura 7 es la simulación y las curvas experimentales de ballesta con diferente contenido de volumen. Cuando el contenido en volumen es del 40 %, la concordancia entre el resultado de la prueba de rigidez estática y el resultado de la simulación de la rigidez estática es del 92,5 %, cuando el contenido en volumen es del 60 %, la concordancia es del 98,5 % y cuando el contenido en volumen es del 80 % , la concordancia es del 93,5%. La rigidez dinámica de la ballesta es mayor que la rigidez estática, y la diferencia entre los dos datos disminuye con el aumento del contenido de volumen. Los datos experimentales y los datos de simulación muestran que cuando el ángulo de colocación y el número de capas son constantes, cuanto mayor es el contenido de volumen, mayor es la rigidez y existe una relación lineal creciente con el contenido de volumen de fibra.

La simulación y las curvas experimentales de ballestas con diferentes contenidos de volumen.

Las muestras 1, 2 y 3 se instalaron entre el eje trasero y el bastidor, se quitaron los amortiguadores de la suspensión trasera y se llevó a cabo la prueba de amortiguación de ballestas. Las Figuras 8a–c muestran las curvas de atenuación de vibración libre del resorte de hoja compuesta. La amplitud de los ciclos adyacentes no cambia mucho, lo que indica que la amortiguación de la ballesta compuesta es pequeña. Los coeficientes de amortiguamiento de los especímenes 1, 2 y 3 son 0.024, 0.031 y 0.044 respectivamente. El coeficiente de amortiguación de la ballesta con capa de 0° es el más pequeño, y el coeficiente de amortiguación de la ballesta con capa de 90° es el más grande.

Curva de variación de atenuación de vibraciones de ballestas compuestas con diferentes ángulos de colocación; (a) datos de prueba del espécimen 1; (b) datos de prueba del espécimen 2; (c) datos de prueba del espécimen 3.

Los ángulos de colocación de las fibras afectan la rigidez general, la fricción interlaminar y las propiedades de corte de los laminados. Cuando la rigidez de la ballesta compuesta es demasiado grande, la capacidad de deformación del poliuretano se verá afectada y se impedirá el deslizamiento relativo entre el refuerzo y la matriz, lo que reducirá las características de amortiguación de la ballesta compuesta23,24. El espécimen 1 se coloca a 0°, la capa de fibra juega el papel de soporte principal y la rigidez del resorte de hoja es la más grande. Bajo la misma carga externa, la ballesta compuesta consume menos energía de vibración y tiene el coeficiente de amortiguación más pequeño. El espécimen 5 se coloca a 90° y la capa de poliuretano desempeña el papel de soporte principal, lo que da como resultado la rigidez más baja del resorte de lámina. Bajo la misma carga externa, la ballesta compuesta consume más energía de vibración y tiene el mayor coeficiente de amortiguación.

La figura 9 son las curvas de contraste de amortiguación de la ballesta con diferentes ángulos de colocación. Cuando el ángulo de colocación es de 0°, la concordancia entre el resultado de la prueba y el resultado de la simulación es del 93,8 %, cuando el ángulo de colocación es de 45°, la concordancia es del 96,6 % y cuando el ángulo de colocación es de 90°, la concordancia es del 95,0 %. . Los datos experimentales y los datos de simulación muestran que cuando el contenido de volumen de fibra y el número de capas son constantes, cuanto mayor es el ángulo de colocación, mayor es el coeficiente de amortiguación de la ballesta compuesta y tiene una relación de crecimiento lineal aproximada con los ángulos de colocación.

Las curvas de contraste de amortiguación de ballestas con diferentes ángulos de colocación.

Los especímenes 1, 4, 5 fueron seleccionados para pruebas de amortiguamiento. Las Figuras 10a-c muestran las curvas de atenuación de vibraciones libres de las muestras compuestas de ballestas. Los coeficientes de amortiguamiento de los especímenes 4, 1 y 5 son 0.032, 0.024 y 0.0197, respectivamente. Cuando el contenido en volumen de fibra es del 40%. El coeficiente de amortiguamiento de la ballesta es el más grande. Cuando el contenido de volumen de fibra es del 80%, el coeficiente de amortiguamiento del resorte de hoja es el más pequeño.

Curva de atenuación de vibraciones de ballesta compuesta con diferentes contenidos de volumen; (a) datos de prueba del espécimen 4; (b) datos de prueba del espécimen 1; (c) datos de prueba del espécimen 5.

La principal contribución de la amortiguación de ballesta compuesta proviene de la matriz de poliuretano. El poliuretano es viscoelástico. Cuando se aplica una fuerza al resorte de hoja, la matriz de poliuretano sufrirá deformación por tracción, deformación por flexión y deformación por cizallamiento, lo que consume energía de vibración para lograr el efecto de reducción de vibración. Cuanto mayor sea el contenido en volumen de fibra de vidrio, menor será el contenido de poliuretano, peor será la viscoelasticidad de la ballesta compuesta y menor será el coeficiente de amortiguamiento.

La Figura 11 son las curvas de contraste de amortiguación de ballestas con diferentes contenidos de volumen. Cuando el contenido en volumen es del 40 %, la concordancia entre el resultado de la prueba y el resultado de la simulación es del 95,5 %, cuando el contenido en volumen es del 60 %, la concordancia es del 94,1 % y cuando el contenido en volumen es del 80 %, la concordancia es del 93,4 %. . Los datos experimentales y los datos de simulación muestran que cuando el ángulo de colocación y el número de capas son constantes, cuanto mayor sea el contenido de volumen de fibra, menor será el coeficiente de amortiguamiento. Sin embargo, cuando el contenido de volumen de fibra aumenta hasta cierto punto, la influencia del contenido de volumen de fibra sobre el coeficiente de amortiguamiento del resorte de hoja compuesta será insignificante.

Las curvas de contraste de amortiguación de ballestas con diferentes contenidos de volumen.

Cuando el contenido de volumen de fibra y el número de capas de la ballesta compuesta permanecen sin cambios, cuanto mayor sea el ángulo de colocación, menor será la rigidez y mayor será el coeficiente de amortiguación.

Cuando el ángulo de colocación de las fibras y el número de capas de la ballesta compuesta permanecen sin cambios, cuanto mayor sea el contenido de volumen de fibras, mayor será la rigidez y menor el coeficiente de amortiguamiento.

El modelo de elementos finitos de la ballesta compuesta se establece en el documento, y la rigidez y el amortiguamiento se simulan y analizan. Los datos de simulación concuerdan bien con los datos experimentales. El método de simulación de elementos finitos es útil para estudiar las propiedades mecánicas de la ballesta.

Los resultados de la investigación sobre la rigidez y la amortiguación de las ballestas compuestas proporcionan una base teórica y una referencia para el diseño de rendimiento de las ballestas.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Los autores desean agradecer el apoyo de Naveco Automobile Co., Ltd (Grant no. HTSP20210302) por proporcionar los materiales y aparatos para llevar a cabo los trabajos experimentales.

Escuela de Ciencias e Ingeniería Cibernéticas, Universidad del Sudeste, Nanjing, 211189, China

Xiaojun Zou y Guodong Yin

Naveco Automobile Co., Ltd, Nanjing, 211806, China

Xiaojun Zou y Bao Zhang

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XZ es responsable del diseño de la ballesta compuesta y escribió el manuscrito principal. BZ es responsable del análisis de prueba de rigidez y amortiguamiento. GY es responsable del análisis de factibilidad del esquema de ballesta compuesta y la preparación de la muestra.

Correspondencia a Xiaojun Zou.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Zou, X., Zhang, B. & Yin, G. Análisis de la rigidez y el rendimiento de amortiguación de la ballesta compuesta. Informe científico 12, 6842 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11055-5

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Recibido: 11 de marzo de 2022

Aceptado: 15 de abril de 2022

Publicado: 27 abril 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-11055-5

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