汽車發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置動(dòng)特性仿真與試驗(yàn)研究精

1、汽車科技第4期2009年7月收稿日期：2008-12-26如今汽車已經(jīng)成為人們不可或缺的交通工具，人們對(duì)汽車的要求，也越來(lái)越高。最初汽車只是簡(jiǎn)單 的代步工具，而目前人們不僅要求汽車是代步工具，而且 要求汽車的乘坐舒適性和安全性，在這些要求 的推動(dòng)下，汽車減震部件就扮演著越 來(lái)越重要的角 色1。其中發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置元件是最重要的元件之一。1橡膠本構(gòu)理論對(duì)于橡膠類材料的本構(gòu)理論2的研究，歷史上形成了兩種方法：統(tǒng)計(jì)理論和唯象理論。統(tǒng)計(jì)理論從 橡膠自身的物理機(jī)制出發(fā)，建立的數(shù)學(xué)模型描述范 圍較寬，不僅包括力學(xué)行為，還包括溶脹等行為，但這 類模型只適用于定性及理論分析，在工程中無(wú)實(shí) 際用途。唯象理論僅涉及

2、所觀察 到的橡膠的性質(zhì)，而不考慮橡膠微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)出應(yīng)力和應(yīng)變之間的非線性彈性關(guān)系,在實(shí)際工程中能準(zhǔn)確描述橡膠類材料變形一般性質(zhì)的精確數(shù)學(xué)表示式。理論研究表明，橡膠材料性能接近于超彈性材料。超彈性材料可以用應(yīng)變能W來(lái)表達(dá)應(yīng)力-應(yīng)變 關(guān)系，此函數(shù)形式及其中 所包含的常數(shù)須由試驗(yàn)確定。橡膠材料是一種各向 同性 的體積不可壓縮或體積近似不可壓縮材料，其非線性彈性特性可以用超彈性模型描 述。超彈性材料的本構(gòu)關(guān)系可以用彈性應(yīng)變能函數(shù)描述為W =W (I 1,1 2, I 3(1式中，1 1=入12+入22+入32I 2=入12入22+入22入32+入32入12I 3=入12入22入32入、入、入表示拉伸比,

3、即入=(L 0+ L /L 0,其中L 0為橡膠試樣初始長(zhǎng)度，的下標(biāo)1、2、3分別代表互相垂直的X、丫、Z方向。如視橡膠材料為不可壓縮超 彈性材料，則I 3=1,因此式(1可簡(jiǎn)化為W =W (I 1, I 2 (2橡膠材料的具體應(yīng)變能函數(shù)種類很多。一般有二項(xiàng)Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型等。其中Mooney-Rivlin模型是一個(gè)經(jīng)典的模 型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學(xué)行為。其應(yīng)變能表達(dá)式為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置動(dòng)特性仿真與試驗(yàn)研究張偉峰1,李金山2,彭建方2,魏道高1(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，合肥230009; 2.中鼎減震橡膠技術(shù)有

4、限公司技術(shù)開(kāi)發(fā)部，寧國(guó)242300摘要：應(yīng)用橡膠類材料的非線性本構(gòu)理論和橡膠 懸置產(chǎn)品的動(dòng)剛度計(jì)算方法，以及有限元分析軟件abaqus對(duì)國(guó)內(nèi)某 款橡膠懸置產(chǎn) 品動(dòng)剛度進(jìn)行了分析。運(yùn)用abaqus對(duì)該汽車懸置產(chǎn)品動(dòng)剛度和阻尼進(jìn)行了計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，說(shuō)明其具有工程應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：橡膠懸置；動(dòng)剛度;阻尼;abaqus中圖分類號(hào):U464.12文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào)：1005-2550(2009 04-0062-03Simulati on and Test for the Dyn amic Specialty of the Engine' s Moun ti ng Rubbe

5、rZHANG Wei-fe ng 1, LI Ji n-shan 2, PENG Jia n-fang 2, WEI Dao-gao 1(1. School of Machinery and Automobile Engineering , Hefei University ofTechn ology , Hefei 230009, China ;2. An hui Zho ngdi ng NVH Tech no logy Co. , Ltd , Ni nggo 242300, Chi naAbstract:U sing non li near con stitutive law of rub

6、ber material and the method for calculati ng dyn amic stiff ness of rubber moun ti ng products , a certa in rubber mounting product was an alyzed by the fin ite eleme nt software , Abaqus ; Dyn amic stiff -n ess and damp ing of rubber mounting product were calculated by Abaqus. And an experime nt of

7、 measuri ng the practical dyn amic stiff ness and damp ing of this product has bee n carried out , and the results are con siste nt with simulati on results in Abaqus , which show that the method can be applied to the engin eer works. Key words:rubber suspe nsion ; dyn amic stiff ness ; damp ing ; a

8、baqus試驗(yàn)測(cè)試W =C 10(I 1-3 +C 01(I 2-3式中，C 10和C01是材料常數(shù)，可以通過(guò)單項(xiàng)拉伸試驗(yàn)獲得。由于簡(jiǎn)單和實(shí)用，該模型獲得了廣泛的應(yīng)用，本文計(jì)算實(shí)例也采用該模型，其 中涉及的系數(shù)C 10和C 01分別為0.4947和0.0639。由于橡膠是粘彈性材料，當(dāng)其承受類似正弦或沖 擊載荷作用時(shí)，阻尼的存在將 使應(yīng)變滯后于應(yīng)力，材料的這種動(dòng)態(tài)特性，稱為粘彈性，動(dòng)態(tài)載荷作用下所 產(chǎn)生的 剛度稱為動(dòng)剛度3。對(duì)橡膠懸置產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，動(dòng)剛度的計(jì)算采用割線剛度來(lái)表示動(dòng) 剛度，動(dòng)剛度的計(jì)算 示意如圖1所示，從圖中可知：動(dòng)剛度=力/變形量。圖1動(dòng)剛度的定義2有限元仿真計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證2.1建

9、立有限元模型本文所研究的樣車橡膠懸置三維實(shí)體模型如圖 2所示。安裝時(shí)將外套與車架 固定，內(nèi)套與發(fā)動(dòng)機(jī)固定。當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)，橡膠懸置起到緩沖發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的作用 4。因此參考abaqus的幫助文件,在abaqus中作如下處理來(lái)模擬橡膠懸置的工作 過(guò)程。圖2橡膠懸置三維實(shí)體模型(1先在pro/E里建立橡膠懸置的三維實(shí)體模 型,去掉金屬內(nèi)套和外套,將橡膠 懸置主體部分(圖2中V型部分 取出，之后導(dǎo)入abaqus里。并賦予橡 膠材料截面 (Section并劃分網(wǎng)格,得到5878個(gè)C3D8R單元,建立橡膠懸置的有限元模型。最 后在ini tial分析步中給外壁施加固定邊界條件：ENCAST- ER(U1=U2

10、=U3=UR1=UR2=UR3。(2建立dyn amic explicit分析步一,在此步中主要實(shí)現(xiàn)橡膠懸置的Z向預(yù) 壓。具體做法如下：建立參考點(diǎn)rp-1,使用coupling約束將其與內(nèi)壁耦合。然后 在點(diǎn)rp-1施加Z向(垂向、大小為608N的預(yù)壓力，預(yù)壓橡膠懸置至預(yù)定的位 置。(3建立dynamic explicit分析步二，在此步中主 要模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。同分析 步一,建立參考點(diǎn)rp-2,使用coupling約束將其與內(nèi)壁耦合。然后在點(diǎn)rp-2施加Z 向的一定頻率和相應(yīng)幅值的正弦位移激勵(lì)來(lái)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)，具體的頻率與幅值 見(jiàn)表1。表1激勵(lì)頻率與對(duì)應(yīng)的幅值(4在分析步一和分析步二中設(shè)置激

11、勵(lì)輸入點(diǎn)rp-2的歷史輸出變量rf3和u3,即z方向的反力和z方向的位移。2.2仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析2.2.1仿真計(jì)算過(guò)程進(jìn)入job模塊 。在job模塊中,建立分析任務(wù)，之后提交分析任務(wù)。待分 析任務(wù)結(jié)束后，點(diǎn)擊job manager對(duì)話框中的results按鈕進(jìn)入后處理模塊5,在后 處理模塊中觀察分析結(jié)果。2.2.2仿真計(jì)算結(jié)果如圖3所示，在預(yù)壓分析步一開(kāi)始之前，橡膠體內(nèi)S.Mises應(yīng)力處為零。此時(shí) 橡膠處于零預(yù)壓、自然形變狀態(tài)。待預(yù)壓分析步結(jié)束時(shí)（見(jiàn)圖4,此時(shí)608N的 預(yù)壓力全部壓在橡膠上，顯然橡膠懸置與外套結(jié)合處 S.Mises應(yīng)力最大，橡膠處于 預(yù)壓形變狀態(tài)。圖3預(yù)壓變形之前圖4預(yù)壓

12、變形之后頻率 /H值 /mm0.50.20.10.050.01汽車發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置動(dòng)特性仿真與試驗(yàn)研究/張偉峰，李金山，彭建方，等試驗(yàn)測(cè)試63 汽車科技第4期2009年7月在預(yù)壓變形的基礎(chǔ)上，分析步二中對(duì)橡膠懸置施加一定頻率和相應(yīng)幅值的正弦位移激勵(lì)。在abaqus軟件的后處理模塊中，得到激勵(lì)輸入點(diǎn)rp-2的反力（f3隨時(shí)間的變化曲線以及反力隨位移（u3的變化曲線。圖5為15Hz頻率下的反力隨時(shí)間的變化曲線，將圖5中的曲線用正弦函數(shù)擬合之后,聯(lián)合位移曲線即可得到圖6所示15Hz頻率下的遲滯（反力-位移變化曲線。圖5反力與時(shí)間關(guān)系曲線圖6遲滯曲線223實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證仿真結(jié)

13、果的正確性,所以對(duì)本產(chǎn)品在 實(shí)驗(yàn)臺(tái)MTS831上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，先按照產(chǎn)品實(shí) 驗(yàn)要求，將產(chǎn)品安裝在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上。之后設(shè)定實(shí)驗(yàn)設(shè) 備參 數(shù)，并在實(shí)驗(yàn)軟件中將力傳感器、加速度傳感器清零。然后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，待實(shí)驗(yàn)結(jié) 束時(shí)，從實(shí)驗(yàn)臺(tái)屏幕 上讀出橡膠懸置的動(dòng)剛度和阻尼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7和圖8所 示。從圖中可以看到：隨著頻率的增加，動(dòng)剛度變大，阻尼值減小，而且仿真值和 實(shí)驗(yàn)值相當(dāng)接近。比如在15Hz時(shí)，動(dòng)剛度實(shí)驗(yàn)值為126.2N/mm,而仿真值為 124.1N/mm,誤差僅為1.7%。阻尼的實(shí)驗(yàn)值為0.0726Ns/mm,而仿真值為 0.066Ns/mm,誤差為9.1%。證明計(jì)算動(dòng)剛度的方法正確,完全可以用來(lái)指導(dǎo)橡膠 懸置產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。圖7動(dòng)剛度與頻率關(guān)系曲線圖8阻尼與頻率關(guān)系曲線3結(jié)束語(yǔ)在有限元分析軟件abaqus里建立了樣車懸置 產(chǎn)品的有限元分析模型，對(duì)模型 進(jìn)行了仿真分析，并且用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方法的正確性，實(shí)現(xiàn)了該車型對(duì)發(fā) 動(dòng)機(jī)橡膠懸 置動(dòng)特性設(shè)計(jì)的要求。所以該分析方法 為進(jìn)一步分析發(fā)動(dòng)機(jī)與整車的匹配打下基 礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1 錢振為，徐石安，陳立明汽車發(fā)動(dòng)機(jī)懸置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài) 參數(shù)的選擇與