橡胶衬套静刚度有限元分析与测试技术的应用现状

2021-04-05聂振学

橡塑技术与装备 2021年9期

聂振学

(青岛科技大学高分子科学与工程学院，山东青岛 266042)

橡胶衬套作为汽车上极为重要的承载结构原件，对汽车悬架的运动学特性、使用寿命以及汽车整体性能都有着十分重要的影响，要想对这些方面的特性进行精确的分析就必须要对橡胶衬套的力学性能进行深入的分析研究。橡胶衬套的力学性能包含很多方面，其中橡胶衬套的静刚度是汽车悬架设计的基本参数，其静刚度对于汽车的行驶过程也有着重要的影响。当汽车承受比较平缓的载荷时，橡胶衬套所产生的相对恒定的刚度就会保证汽车的平稳行驶。反之，在汽车承受了比较大的冲击载荷时，橡胶衬套变刚度特性会相应的产生较大的刚度，由此来防止汽车出现异常行驶的情况。静刚度作为橡胶衬套的静态力学性能，对于橡胶衬套的研究有着很大的帮助，本文中即针对橡胶衬套的静刚度，通过有限元的仿真分析以及相关试验结果的对比来较为准确的计算橡胶衬套的刚度值[1]。

1 橡胶衬套试验样件弹性有限元分析

对于橡胶衬套的刚度特性分析涉及很多方面，其分析的准确性受到橡胶衬套试样材料的选取、计算方法的选择等诸多方面影响。常见橡胶衬套所用橡胶以天然橡胶为主，在进行分析之前，一般首先对橡胶材料性能进行测试。首先对橡胶材料进行拉伸试验，进行拉伸的过程中使用到了拉力试验机，为了保证拉伸试验的准确性，会同时使用夹持器以及引伸计，由此

最大限度的提高拉伸试验结果的精度。通过拉伸试验可以得出所选取橡胶衬套材料的单轴拉伸、等双轴拉伸以及平面拉伸试件的名义应力相关曲线，从中可以得到橡胶衬套试样的相关拉伸特性，在使用过程也能够更好的进行应用。一般的，橡胶衬套所使用的材料超弹性本构模型种类包括Yeoh以及Mooney-Rivlin等，在进行相关模型参数准确性的考察过程中，需要使用到上述的模型参数，以此来对橡胶衬套材料属性进行分析。除了分析所使用材料的属性之外，还需要对试样的弹性特性进行仿真分析，仿真分析也是保证橡胶衬套测试结果准确性的重要手段，仿真分析过后还需要对所得到的结果进行比较，进一步得出测试材料的弹性特性。通过采用上述的方法进行拉伸分析，所得到的拉伸计算结果与实际试验所得到的数据结果相差很小，由此便能说明所建立的模型参数是可靠的，可以用来较好的模拟橡胶衬套的静态力学性能。

2 橡胶衬套静刚度有限元分析与测试

2.1 橡胶衬套静刚度有限元模型的建立简要介绍

本次试验所选取的橡胶衬套为某车型悬架后下摆臂衬套，该衬套的基本结构如下，首先衬套为三层骨架式结构，三层分别为橡胶层、钢夹层以及钢套层，其分布位置为内外层均为钢套层，中间则为橡胶层，钢夹层则位于橡胶层的中间。在使用过程中，橡胶体的表面是以硫化的方式与钢套层结合在一起。在橡胶衬套有限元模型的建立过程中，要考虑到诸多方面的因素，首先是在刚度方面的考量，一般的，由于钢材质的刚度远远大于橡胶的刚度，因而在模拟的过程中常选取以钢体的方式进行模拟。在模拟过程中计算的精度以及规模会受到网格划分形式的影响，常用的网格划分形式主要有四面体以及六面体单元两种，这两种不同尺寸的网格建模形式都十分重要。橡胶衬套所用到的材料采用了超弹性本构模型参数进行模拟，并据此建立了相应的有限元模型，其中具体的网格尺寸包括1.0 mm以及0.75 mm，与此相对应的橡胶网格层数也是确定值。以上便是有限元模型的建立过程。

2.2 橡胶衬套静刚度有限元计算结果简要分析

橡胶衬套的径向变形会产生比较复杂的应变分布，在此过程中有相应的近似理论，此时需要采用无量纲的径向刚度系数来表示衬套抗径向的变形能力。在此过程中需要计算的内容包括橡胶衬套径向刚度、橡胶衬套轴向刚度以及橡胶衬套扭转刚度。首先橡胶衬套的径向刚度计算主要使用到的计算数据包括橡胶材料的剪切模量、载荷、衬套的长度以及对应的位移，根据这四个确定的量值可以进行橡胶衬套径向刚度理论值的计算。对于橡胶衬套的轴向刚度理论值计算来说，其计算公式相较于径向刚度十分简便，只需要得到衬套的内外径长度以及橡胶的剪切模量便可以依据给定的公式进行简要的刚度值计算。最后对于橡胶衬套的轴向扭转刚度理论值计算，其计算过程也并不复杂，与轴向刚度计算过程中所需要测定的参数一致，但计算公式上有了很大的变动。

总的来说，橡胶衬套的轴向刚度理论计算以及轴向扭转刚度理论计算所需要测定的参数一致，并且由于橡胶材料的力学性能比较复杂，这就导致在进行理论计算的过程中应用了很多的假设内容，实际过程中的情况现如今还无法进行较为准确的描述，这就导致橡胶衬套的理论计算过程中比较困难，因而有限元分析及测试便显得十分重要。

利用有限元进行计算最终所得出的结果如下，橡胶衬套的刚度计算仿真边界条件定义，其约束外套管刚体单元节点以及内套管刚体单元分别会起到加载位移、扭转角度等作用。从相关的计算结果可得出：对于同一网格类型，刚度会随着尺寸的增大而发生变化，尺寸越大的情况下刚度越大，此外还可知不同网格尺寸以及网格类型对于径向刚度有着十分重要的影响，然而网格的尺寸以及类型的不同对于轴向刚度以及扭转刚度的影响却比较小，最后还可以得到的结论是，四面体网格计算的刚度值比同尺寸下的六面体网格要大得多。以上便是经过有限元计算过后对数据进行对比分析所得出的结果。为了对橡胶衬套静刚度的有限元分析结果进行验证，后续还进行了一系列的试验，主要是对橡胶衬套做测试，测试的量值包括轴向、径向以及轴向扭转刚度，根据理论刚度的计算方法测出了橡胶衬套的静刚度，通过对比分析实验结果、理论计算以及有限元法计算三种情况下所得到的数值，可以得出如下结论：三种测试所得到的数据结果误差均保持在10%以内，其中有限元法进行计算与试验的结果数据差值则更小，仅仅在5%左右，由此可知，橡胶衬套静刚度采用有限元进行分析和测试能够十分准确的分析出橡胶衬套的静刚度，所得出的数据也是十分可靠的，可以进一步的推广使用[2]。

2.3 橡胶衬套的刚度实验简要介绍

在进行橡胶衬套的刚度试验时，需要使用到橡胶衬套静态力学试验及试验工装，在此过程中主要需要测定的物理参数包括以下几点：分别是橡胶衬套的径向、轴向刚度以及轴向扭转刚度等。在进行测试的过程中需要尽可能的提高测试刚度的稳定性，由此可以最大限度的减少数据的重复性，避免进行无效数据的测试。

经过相关的试验记录下橡胶衬套的位移、扭转角度等，经过计算可以得到相应的试验刚度值。对橡胶衬套各个刚度的计算结果以及实际所测得的数值进行对比，可以发现尺寸比较小的网格计算所得出的结果与实际测得的数据更为符合，同时径向刚度会随着网格尺寸的减小而大大降低相对误差。不仅如此，径向网格层数的增大也会导致径向刚度相对误差的减小。

以上的实验数据对比结果都表明橡胶衬套刚度的计算过程中，为了保证计算结果的准确性需要选取的四面体网格应当保证六层单元以上的网格，六面体网格则需要在四层以上。在此过程中要注意计算的效率，选择大小合适的网格单元以及相应的尺寸，最大限度地提高计算的效率，同时在此过程中也要保证测量结果的精度，即精度以及计算效率是最为重要的两方面，关于计算资源不能够投入太多的关注，防止影响到最终测量结果[3]。