汽車發(fā)動機橡膠懸置動特性仿真與試驗研究精

1、汽車科技第4期2009年7月收稿日期：2008-12-26如今汽車已經成為人們不可或缺的交通工具，人們對汽車的要求，也越來越高。最初汽車只是簡單 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 的推動下，汽車減震部件就扮演著越 來越重要的角 色1。其中發(fā)動機橡膠懸置元件是最重要的元件之一。1橡膠本構理論對于橡膠類材料的本構理論2的研究，歷史上形成了兩種方法：統(tǒng)計理論和唯象理論。統(tǒng)計理論從 橡膠自身的物理機制出發(fā)，建立的數學模型描述范 圍較寬，不僅包括力學行為，還包括溶脹等行為，但這 類模型只適用于定性及理論分析，在工程中無實 際用途。唯象理論僅涉及

2、所觀察 到的橡膠的性質，而不考慮橡膠微觀結構導出應力和應變之間的非線性彈性關系,在實際工程中能準確描述橡膠類材料變形一般性質的精確數學表示式。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變能W來表達應力-應變 關系，此函數形式及其中 所包含的常數須由試驗確定。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。超彈性材料的本構關系可以用彈性應變能函數描述為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為橡膠試樣初始長度，的下標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可簡化為W =W (I 1, I 2 (2橡膠材料的具體應變能函數種類很多。一般有二項Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型等。其中Mooney-Rivlin模型是一個經典的模 型，幾乎可以模擬所有橡膠材料的力學行為。其應變能表達式為汽車發(fā)動機橡膠懸置動特性仿真與試驗研究張偉峰1,李金山2,彭建方2,魏道高1(1.合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，合肥230009; 2.中鼎減震橡膠技術有

4、限公司技術開發(fā)部，寧國242300摘要：應用橡膠類材料的非線性本構理論和橡膠 懸置產品的動剛度計算方法，以及有限元分析軟件abaqus對國內某 款橡膠懸置產 品動剛度進行了分析。運用abaqus對該汽車懸置產品動剛度和阻尼進行了計算，且計算結果與實驗結果相一致，說明其具有工程應用價值。關鍵詞：橡膠懸置；動剛度;阻尼;abaqus中圖分類號:U464.12文獻標志碼:A文章編號：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試驗測試W =C 10(I 1-3 +C 01(I 2-3式中，C 10和C01是材料常數，可以通過單項拉伸試驗獲得。由于簡單和實用，該模型獲得了廣泛的應用，本文計算實例也采用該模型，其 中涉及的系數C 10和C 01分別為0.4947和0.0639。由于橡膠是粘彈性材料，當其承受類似正弦或沖 擊載荷作用時，阻尼的存在將 使應變滯后于應力，材料的這種動態(tài)特性，稱為粘彈性，動態(tài)載荷作用下所 產生的 剛度稱為動剛度3。對橡膠懸置產品來說，動剛度的計算采用割線剛度來表示動 剛度，動剛度的計算 示意如圖1所示，從圖中可知：動剛度=力/變形量。圖1動剛度的定義2有限元仿真計算和實驗驗證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體模型如圖 2所示。安裝時將外套與車架 固定，內套與發(fā)動機固定。當汽車運行時，橡膠懸置起到緩沖發(fā)動機振動的作用 4。因此參考abaqus的幫助文件,在abaqus中作如下處理來模擬橡膠懸置的工作 過程。圖2橡膠懸置三維實體模型(1先在pro/E里建立橡膠懸置的三維實體模 型,去掉金屬內套和外套,將橡膠 懸置主體部分(圖2中V型部分 取出，之后導入abaqus里。并賦予橡 膠材料截面 (Section并劃分網格,得到5878個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,在此步中主要實現橡膠懸置的Z向預 壓。具體做法如下：建立參考點rp-1,使用coupling約束將其與內壁耦合。然后 在點rp-1施加Z向(垂向、大小為608N的預壓力，預壓橡膠懸置至預定的位 置。(3建立dynamic explicit分析步二，在此步中主 要模擬發(fā)動機的振動。同分析 步一,建立參考點rp-2,使用coupling約束將其與內壁耦合。然后在點rp-2施加Z 向的一定頻率和相應幅值的正弦位移激勵來模擬發(fā)動機的振動，具體的頻率與幅值 見表1。表1激勵頻率與對應的幅值(4在分析步一和分析步二中設置激

11、勵輸入點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仿真與實驗結果分析2.2.1仿真計算過程進入job模塊 。在job模塊中,建立分析任務，之后提交分析任務。待分 析任務結束后，點擊job manager對話框中的results按鈕進入后處理模塊5,在后 處理模塊中觀察分析結果。2.2.2仿真計算結果如圖3所示，在預壓分析步一開始之前，橡膠體內S.Mises應力處為零。此時 橡膠處于零預壓、自然形變狀態(tài)。待預壓分析步結束時（見圖4,此時608N的 預壓力全部壓在橡膠上，顯然橡膠懸置與外套結合處 S.Mises應力最大，橡膠處于 預壓形變狀態(tài)。圖3預壓變形之前圖4預壓

12、變形之后頻率 /H值 /mm0.50.20.10.050.01汽車發(fā)動機橡膠懸置動特性仿真與試驗研究/張偉峰，李金山，彭建方，等試驗測試63 汽車科技第4期2009年7月在預壓變形的基礎上，分析步二中對橡膠懸置施加一定頻率和相應幅值的正弦位移激勵。在abaqus軟件的后處理模塊中，得到激勵輸入點rp-2的反力（f3隨時間的變化曲線以及反力隨位移（u3的變化曲線。圖5為15Hz頻率下的反力隨時間的變化曲線，將圖5中的曲線用正弦函數擬合之后,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反力與時間關系曲線圖6遲滯曲線223實驗驗證為了驗證仿真結

13、果的正確性,所以對本產品在 實驗臺MTS831上進行實驗。 實驗時，先按照產品實 驗要求，將產品安裝在實驗臺架上。之后設定實驗設 備參 數，并在實驗軟件中將力傳感器、加速度傳感器清零。然后開始實驗，待實驗結 束時，從實驗臺屏幕 上讀出橡膠懸置的動剛度和阻尼。實驗結果如圖7和圖8所 示。從圖中可以看到：隨著頻率的增加，動剛度變大，阻尼值減小，而且仿真值和 實驗值相當接近。比如在15Hz時，動剛度實驗值為126.2N/mm,而仿真值為 124.1N/mm,誤差僅為1.7%。阻尼的實驗值為0.0726Ns/mm,而仿真值為 0.066Ns/mm,誤差為9.1%。證明計算動剛度的方法正確,完全可以用來指導橡膠 懸置產品的開發(fā)設計。圖7動剛度與頻率關系曲線圖8阻尼與頻率關系曲線3結束語在有限元分析軟件abaqus里建立了樣車懸置 產品的有限元分析模型，對模型 進行了仿真分析，并且用實驗驗證了方法的正確性，實現了該車型對發(fā) 動機橡膠懸 置動特性設計的要求。所以該分析方法 為進一步分析發(fā)動機與整車的匹配打下基 礎。參考文獻1 錢振為，徐石安，陳立明汽車發(fā)動機懸置系統(tǒng)結構動態(tài) 參數的選擇與