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橡胶主簧的有限元分析及对液阻悬置的影响

发布于:2016-09-15 17:09
有限元分析

      液阻型悬置又称液压橡胶隔振器,是20世纪80年代发展起来的一种先进的被动隔振元件,它在传统的橡胶悬置的基础上增加了液体阻尼机构,从而得到比橡胶悬置更优良的非线性特性,目前已经得到了广泛的应用。它的最大优点就是可以根据车辆不同工况下的激励振幅和频率来设计其特性曲线,从而能够更好地衰减动力总成振动和路面激励所导致的动力总成的振动,改善整车的NVH性能。橡胶主簧作为液阻型悬置的主要承载元件,对液阻悬置的静态和动态特性都有着重要的影响,其形状、橡胶材料的硬度和内部金属骨架是确定橡胶主簧特性的3个参数,而动刚度、刚度硬化的频率、阻尼角的峰值和阻尼角峰值频率是评价液阻悬置动特性的主要性能参数。工程实际中,橡胶主簧特性设计是设计液阻悬置一个非常重要的方面。
      本研究以某一型号液阻悬置为研究对象,应用有限元分析AppABAQUS 对影响橡胶主簧性能的因素进行仿真分析。
      典型的惯性通道—解耦膜液阻悬置结构示意图,如图所示。图中上下螺纹连接杆分别与发动机支撑臂和车架连接。液阻悬置主要由橡胶主簧、惯性通道体、解耦膜、橡胶底膜和底座组成,这个总成由惯性通道体把悬置分为上、下两个液室,液室内充满液体(一般为水和乙二醇)。低频率、大振幅振动时,发动机的振动力经由支撑臂传至橡胶主簧,导致上液室的压力发生变化,挤压液室内的液体通过惯性通道上、下流动,在液体流经惯性通道时,就会产生较大阻尼,从而消耗振动能量,悬置表现为小刚度、大阻尼特性,此时解耦膜处于上极限或下极限位置。高频率、小振幅时,流经惯性通道体的液体会发生动态硬化,此时不再有液体通过惯性通道体上下流动,解耦膜在自由行程内上下微小振动,来提供较小的阻尼,此时悬置表现为大刚度、小阻尼特性。在某激振频率下,惯性通道体内的液体发生共振,此时悬置则表现出大刚度、大阻尼特性。液阻悬置的整体性能与橡胶主簧的刚度及阻尼、液体的粘度、惯性通道的长度及截面形状、解耦膜的刚度等多个参数相关。设计人员可以根据需要调整这些影响参数来控制所设计液阻悬置的性能。
      橡胶材料的特性不同于金属材料,它需要多个参数描述其材料特性,橡胶的行为复杂,材料本构关系是非线性的。其力学性能对温度、环境、应变历史、加载的速率等都非常敏感,从而使得橡胶的行为描述变得异常复杂。对于各向同性的、体积不可压缩(或体积近似不可压缩)的橡胶材料,其非线性弹性特性用超弹性模型描述。超弹性材料的本构关系表示为应变能函数的一般形式:根据橡胶的不可压缩性,有可以把I1和I2看作两个独立变量,由3个主拉伸比所决定(对不可压缩材料,主拉伸比中只有两个是独立的)。因此,各向同性的不可压缩材料的应变能函数W就可以用本身为应变函数的两个相互独立的变量I1和I2来表示,其中,Cij是材料常数,通过试验测定。橡胶材料参数根据橡胶材料的本构关系力学试验数据,由ABAQUS应用最小二乘法拟合得到。通常,对于体积不可压缩橡胶材料进行的材料特性试验有3种:单轴拉伸、等双轴拉伸、平面拉伸。由于实验条件所限,根据国家标准GB/T528-1998和GB/T7757-93,本研究只做了哑铃型试样的单轴拉伸试验和圆柱型试样的单轴压缩试验。
      为了保证橡胶元件特性的有限元分析的准确性和大变形过程中良好的单元形态,避免发生单元锁死现象,需要合理选择单元类型、单元积分形式,合理地划分网格。虽然2阶单元具有计算精度高、处理应力集中能力强的优点,但在完全积分单元中,当2阶单元被用于处理不可压缩材料时,对体积自锁非常敏感。而1阶单元对于体积不可压缩材料时(例如橡胶材料)可以很好地避免体积自锁,且1阶单元可用于大多数应用场合,并具有自动沙漏控制功能。三维模型尽可能采用块状(六面体)线性单元。它们在最小时间和空间下给出了合理的计算结果。由于橡胶主簧几何形状复杂,内部包含较多小尺寸曲面,完全采用块状单元构造网格会很困难,有必要采用楔形线性单元,但楔形单元是较差单元,只有划分较细的网格才能使结果达到较为合理的精度,因此,在不需要精确求解的区域可以使用这些单元。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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