橡膠襯套靜剛度有限元分析與測試技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

聶振學(xué)

(青島科技大學(xué) 高分子科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266042)

橡膠襯套作為汽車上極為重要的承載結(jié)構(gòu)原件，對汽車懸架的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性、使用壽命以及汽車整體性能都有著十分重要的影響，要想對這些方面的特性進(jìn)行精確的分析就必須要對橡膠襯套的力學(xué)性能進(jìn)行深入的分析研究。橡膠襯套的力學(xué)性能包含很多方面，其中橡膠襯套的靜剛度是汽車懸架設(shè)計(jì)的基本參數(shù)，其靜剛度對于汽車的行駛過程也有著重要的影響。當(dāng)汽車承受比較平緩的載荷時(shí)，橡膠襯套所產(chǎn)生的相對恒定的剛度就會(huì)保證汽車的平穩(wěn)行駛。反之，在汽車承受了比較大的沖擊載荷時(shí)，橡膠襯套變剛度特性會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生較大的剛度，由此來防止汽車出現(xiàn)異常行駛的情況。靜剛度作為橡膠襯套的靜態(tài)力學(xué)性能，對于橡膠襯套的研究有著很大的幫助，本文中即針對橡膠襯套的靜剛度，通過有限元的仿真分析以及相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果的對比來較為準(zhǔn)確的計(jì)算橡膠襯套的剛度值[1]。

1 橡膠襯套試驗(yàn)樣件彈性有限元分析

對于橡膠襯套的剛度特性分析涉及很多方面，其分析的準(zhǔn)確性受到橡膠襯套試樣材料的選取、計(jì)算方法的選擇等諸多方面影響。常見橡膠襯套所用橡膠以天然橡膠為主，在進(jìn)行分析之前，一般首先對橡膠材料性能進(jìn)行測試。首先對橡膠材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，進(jìn)行拉伸的過程中使用到了拉力試驗(yàn)機(jī)，為了保證拉伸試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，會(huì)同時(shí)使用夾持器以及引伸計(jì)，由此

最大限度的提高拉伸試驗(yàn)結(jié)果的精度。通過拉伸試驗(yàn)可以得出所選取橡膠襯套材料的單軸拉伸、等雙軸拉伸以及平面拉伸試件的名義應(yīng)力相關(guān)曲線，從中可以得到橡膠襯套試樣的相關(guān)拉伸特性，在使用過程也能夠更好的進(jìn)行應(yīng)用。一般的，橡膠襯套所使用的材料超彈性本構(gòu)模型種類包括Yeoh以及Mooney-Rivlin等，在進(jìn)行相關(guān)模型參數(shù)準(zhǔn)確性的考察過程中，需要使用到上述的模型參數(shù)，以此來對橡膠襯套材料屬性進(jìn)行分析。除了分析所使用材料的屬性之外，還需要對試樣的彈性特性進(jìn)行仿真分析，仿真分析也是保證橡膠襯套測試結(jié)果準(zhǔn)確性的重要手段，仿真分析過后還需要對所得到的結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步得出測試材料的彈性特性。通過采用上述的方法進(jìn)行拉伸分析，所得到的拉伸計(jì)算結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果相差很小，由此便能說明所建立的模型參數(shù)是可靠的，可以用來較好的模擬橡膠襯套的靜態(tài)力學(xué)性能。

2 橡膠襯套靜剛度有限元分析與測試

2.1 橡膠襯套靜剛度有限元模型的建立簡要介紹

本次試驗(yàn)所選取的橡膠襯套為某車型懸架后下擺臂襯套，該襯套的基本結(jié)構(gòu)如下，首先襯套為三層骨架式結(jié)構(gòu)，三層分別為橡膠層、鋼夾層以及鋼套層，其分布位置為內(nèi)外層均為鋼套層，中間則為橡膠層，鋼夾層則位于橡膠層的中間。在使用過程中，橡膠體的表面是以硫化的方式與鋼套層結(jié)合在一起。在橡膠襯套有限元模型的建立過程中，要考慮到諸多方面的因素，首先是在剛度方面的考量，一般的，由于鋼材質(zhì)的剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橡膠的剛度，因而在模擬的過程中常選取以鋼體的方式進(jìn)行模擬。在模擬過程中計(jì)算的精度以及規(guī)模會(huì)受到網(wǎng)格劃分形式的影響，常用的網(wǎng)格劃分形式主要有四面體以及六面體單元兩種，這兩種不同尺寸的網(wǎng)格建模形式都十分重要。橡膠襯套所用到的材料采用了超彈性本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行模擬，并據(jù)此建立了相應(yīng)的有限元模型，其中具體的網(wǎng)格尺寸包括1.0 mm以及0.75 mm，與此相對應(yīng)的橡膠網(wǎng)格層數(shù)也是確定值。以上便是有限元模型的建立過程。

2.2 橡膠襯套靜剛度有限元計(jì)算結(jié)果簡要分析

橡膠襯套的徑向變形會(huì)產(chǎn)生比較復(fù)雜的應(yīng)變分布，在此過程中有相應(yīng)的近似理論，此時(shí)需要采用無量綱的徑向剛度系數(shù)來表示襯套抗徑向的變形能力。在此過程中需要計(jì)算的內(nèi)容包括橡膠襯套徑向剛度、橡膠襯套軸向剛度以及橡膠襯套扭轉(zhuǎn)剛度。首先橡膠襯套的徑向剛度計(jì)算主要使用到的計(jì)算數(shù)據(jù)包括橡膠材料的剪切模量、載荷、襯套的長度以及對應(yīng)的位移，根據(jù)這四個(gè)確定的量值可以進(jìn)行橡膠襯套徑向剛度理論值的計(jì)算。對于橡膠襯套的軸向剛度理論值計(jì)算來說，其計(jì)算公式相較于徑向剛度十分簡便，只需要得到襯套的內(nèi)外徑長度以及橡膠的剪切模量便可以依據(jù)給定的公式進(jìn)行簡要的剛度值計(jì)算。最后對于橡膠襯套的軸向扭轉(zhuǎn)剛度理論值計(jì)算，其計(jì)算過程也并不復(fù)雜，與軸向剛度計(jì)算過程中所需要測定的參數(shù)一致，但計(jì)算公式上有了很大的變動(dòng)。

總的來說，橡膠襯套的軸向剛度理論計(jì)算以及軸向扭轉(zhuǎn)剛度理論計(jì)算所需要測定的參數(shù)一致，并且由于橡膠材料的力學(xué)性能比較復(fù)雜，這就導(dǎo)致在進(jìn)行理論計(jì)算的過程中應(yīng)用了很多的假設(shè)內(nèi)容，實(shí)際過程中的情況現(xiàn)如今還無法進(jìn)行較為準(zhǔn)確的描述，這就導(dǎo)致橡膠襯套的理論計(jì)算過程中比較困難，因而有限元分析及測試便顯得十分重要。

利用有限元進(jìn)行計(jì)算最終所得出的結(jié)果如下，橡膠襯套的剛度計(jì)算仿真邊界條件定義，其約束外套管剛體單元節(jié)點(diǎn)以及內(nèi)套管剛體單元分別會(huì)起到加載位移、扭轉(zhuǎn)角度等作用。從相關(guān)的計(jì)算結(jié)果可得出：對于同一網(wǎng)格類型，剛度會(huì)隨著尺寸的增大而發(fā)生變化，尺寸越大的情況下剛度越大，此外還可知不同網(wǎng)格尺寸以及網(wǎng)格類型對于徑向剛度有著十分重要的影響，然而網(wǎng)格的尺寸以及類型的不同對于軸向剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度的影響卻比較小，最后還可以得到的結(jié)論是，四面體網(wǎng)格計(jì)算的剛度值比同尺寸下的六面體網(wǎng)格要大得多。以上便是經(jīng)過有限元計(jì)算過后對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析所得出的結(jié)果。為了對橡膠襯套靜剛度的有限元分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，后續(xù)還進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，主要是對橡膠襯套做測試，測試的量值包括軸向、徑向以及軸向扭轉(zhuǎn)剛度，根據(jù)理論剛度的計(jì)算方法測出了橡膠襯套的靜剛度，通過對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、理論計(jì)算以及有限元法計(jì)算三種情況下所得到的數(shù)值，可以得出如下結(jié)論：三種測試所得到的數(shù)據(jù)結(jié)果誤差均保持在10%以內(nèi)，其中有限元法進(jìn)行計(jì)算與試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)差值則更小，僅僅在5%左右，由此可知，橡膠襯套靜剛度采用有限元進(jìn)行分析和測試能夠十分準(zhǔn)確的分析出橡膠襯套的靜剛度，所得出的數(shù)據(jù)也是十分可靠的，可以進(jìn)一步的推廣使用[2]。

2.3 橡膠襯套的剛度實(shí)驗(yàn)簡要介紹

在進(jìn)行橡膠襯套的剛度試驗(yàn)時(shí)，需要使用到橡膠襯套靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)及試驗(yàn)工裝，在此過程中主要需要測定的物理參數(shù)包括以下幾點(diǎn)：分別是橡膠襯套的徑向、軸向剛度以及軸向扭轉(zhuǎn)剛度等。在進(jìn)行測試的過程中需要盡可能的提高測試剛度的穩(wěn)定性，由此可以最大限度的減少數(shù)據(jù)的重復(fù)性，避免進(jìn)行無效數(shù)據(jù)的測試。

經(jīng)過相關(guān)的試驗(yàn)記錄下橡膠襯套的位移、扭轉(zhuǎn)角度等，經(jīng)過計(jì)算可以得到相應(yīng)的試驗(yàn)剛度值。對橡膠襯套各個(gè)剛度的計(jì)算結(jié)果以及實(shí)際所測得的數(shù)值進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)尺寸比較小的網(wǎng)格計(jì)算所得出的結(jié)果與實(shí)際測得的數(shù)據(jù)更為符合，同時(shí)徑向剛度會(huì)隨著網(wǎng)格尺寸的減小而大大降低相對誤差。不僅如此，徑向網(wǎng)格層數(shù)的增大也會(huì)導(dǎo)致徑向剛度相對誤差的減小。

以上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比結(jié)果都表明橡膠襯套剛度的計(jì)算過程中，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性需要選取的四面體網(wǎng)格應(yīng)當(dāng)保證六層單元以上的網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格則需要在四層以上。在此過程中要注意計(jì)算的效率，選擇大小合適的網(wǎng)格單元以及相應(yīng)的尺寸，最大限度地提高計(jì)算的效率，同時(shí)在此過程中也要保證測量結(jié)果的精度，即精度以及計(jì)算效率是最為重要的兩方面，關(guān)于計(jì)算資源不能夠投入太多的關(guān)注，防止影響到最終測量結(jié)果[3]。

3 結(jié)束語

本文中就汽車懸架上橡膠襯套的靜剛度測試進(jìn)行了深入的分析研究，其中有限元分析與測試對于橡膠襯套靜剛度測試有著十分重要的影響，有限元分析很好的契合了橡膠襯套剛度測試的過程，不僅能提高測試的精度，同時(shí)與實(shí)際的測試結(jié)果相對誤差很小，因而有限元分析及測試應(yīng)當(dāng)廣泛應(yīng)用于橡膠襯套的剛度測試中。