景向策， 李志強(qiáng)，劉博

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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汽車襯套剛度開(kāi)發(fā)技術(shù)研究

景向策1,2， 李志強(qiáng)1,2，劉博1,2

(1.長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

在整車開(kāi)發(fā)前期對(duì)襯套剛度進(jìn)行仿真，能夠縮短襯套的開(kāi)發(fā)周期。襯套橡膠材料性能測(cè)試是襯套剛度仿真的前提。建立襯套有限元模型，利用仿真軟件開(kāi)展剛度仿真計(jì)算，并與試驗(yàn)剛度進(jìn)行對(duì)比，以提高仿真精度，使仿真能夠更好地為設(shè)計(jì)服務(wù)。

汽車襯套；剛度；仿真；試驗(yàn)

0 引言

減震類橡膠部件主要應(yīng)用于汽車底盤的各種襯套與動(dòng)力總成懸置，其主要功能為衰減由于路面的激勵(lì)或輸出扭矩波動(dòng)而導(dǎo)致的發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)，控制底盤部件運(yùn)動(dòng)與發(fā)動(dòng)機(jī)位移。所以，在整車開(kāi)發(fā)前期，對(duì)減震類橡膠進(jìn)行剛度設(shè)計(jì)是非常必要的，其剛度特性直接影響整車的操控穩(wěn)定性、平順性與舒適性。

目前襯套開(kāi)發(fā)流程周期長(zhǎng)、成本高，通過(guò)有限元仿真的手段，在襯套開(kāi)發(fā)前期進(jìn)行剛度仿真，能夠縮短開(kāi)發(fā)周期。文中詳細(xì)闡述了獲取橡膠材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線后，橡膠材料仿真模型特性關(guān)系建立過(guò)程、襯套仿真剛度與試驗(yàn)剛度的對(duì)比以及后續(xù)工作開(kāi)展情況。

1 仿真在襯套開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

目前公司襯套開(kāi)發(fā)的基本流程如圖1所示，在制作襯套樣件后，進(jìn)行剛度和耐久試驗(yàn)，如不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則更改襯套結(jié)構(gòu)或者嘗試不同的材料配方，再次進(jìn)行剛度和耐久試驗(yàn)，直至滿足標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用此流程襯套開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，且不易把握結(jié)構(gòu)剛度與耐久性。

通過(guò)有限元仿真技術(shù)，在襯套結(jié)構(gòu)模型建立后，根據(jù)現(xiàn)有橡膠材料配方的不同，對(duì)設(shè)計(jì)襯套結(jié)構(gòu)賦予不同的材料性能進(jìn)行剛度仿真，得到設(shè)計(jì)襯套剛度值，并與標(biāo)桿襯套剛度進(jìn)行比較，評(píng)估出合適的材料，用于指導(dǎo)襯套選材；根據(jù)剛度目標(biāo)或耐久試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，并進(jìn)行襯套結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少重復(fù)開(kāi)發(fā)模具和試驗(yàn)次數(shù)，縮短襯套開(kāi)發(fā)周期。

圖1 襯套開(kāi)發(fā)基本流程

所以進(jìn)行襯套剛度仿真與試驗(yàn)的相關(guān)性研究，是十分重要的，它可以提高仿真精度，更好地為設(shè)計(jì)服務(wù)。

2 襯套剛度仿真

襯套所用的橡膠材料為超彈性材料，在襯套剛度仿真中，橡膠材料特性數(shù)據(jù)起到?jīng)Q定性作用，需要進(jìn)行橡膠材料性能試驗(yàn)，為分析提供數(shù)據(jù)支持。

2.1 橡膠材料數(shù)據(jù)

橡膠材料的基礎(chǔ)試驗(yàn)有8種：?jiǎn)屋S拉伸和壓縮試驗(yàn)，雙軸拉伸和壓縮試驗(yàn)，平面拉伸和壓縮試驗(yàn)以及測(cè)定體積變化的試驗(yàn)。

根據(jù)目前國(guó)際上對(duì)橡膠材料試驗(yàn)的研究，作者對(duì)某襯套所用的橡膠材料進(jìn)行了單軸拉伸、雙軸拉伸和平面拉伸試驗(yàn)，獲取橡膠材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2。

圖2 名義應(yīng)變與名義應(yīng)力曲線

獲取橡膠材料的名義應(yīng)力與名義應(yīng)變后，在構(gòu)建仿真所需的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系時(shí)，不能采用一般彈性材料用的彈性模量和泊松比描述，需要采用應(yīng)變勢(shì)能來(lái)表達(dá)，主要分為兩類：

(1)統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)法。該方法認(rèn)為橡膠的超彈性取決于未施加拉伸載荷前橡膠的高度無(wú)規(guī)則鏈狀結(jié)構(gòu)，具有很高的熵值，假定橡膠分子鏈的長(zhǎng)度、排列和結(jié)構(gòu)是統(tǒng)計(jì)分布的。主要有Arruda-Boyce模型和Vander Waals模型，適用于約50%的應(yīng)變。

(2)以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論為基礎(chǔ)的方法。該方法構(gòu)造了描述橡膠性能的力學(xué)框架，假定在零應(yīng)變狀態(tài)下橡膠聚合物的長(zhǎng)分子鏈隨機(jī)分布，橡膠是各向同性的，其力學(xué)性能可以采用應(yīng)變能函數(shù)(單位體積內(nèi)存貯的應(yīng)變能)描述，其工程應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系由應(yīng)變能函數(shù)對(duì)應(yīng)變不變量的導(dǎo)數(shù)來(lái)表達(dá)。主要有：Mooney-Rivlin模型，適用于小應(yīng)變和中等應(yīng)變；Yeoh模型和Ogden模型，適用于大應(yīng)變。

所以，在構(gòu)建仿真所需的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系時(shí)，需要利用多種模型進(jìn)行材料評(píng)估。即利用有限元軟件中的超彈性材料模塊對(duì)橡膠材料進(jìn)行模擬，將試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，相應(yīng)地填寫(xiě)到超彈性材料模塊中；然后，選擇Vander Waals模型、Mooney-Rivlin模型、Yeoh模型和Ogden 3、4階模型等同時(shí)進(jìn)行材料評(píng)估，選擇合適的本構(gòu)模型，構(gòu)建更為準(zhǔn)確的材料本構(gòu)關(guān)系。

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)每種模型構(gòu)建材料本構(gòu)關(guān)系的穩(wěn)定性和各種本構(gòu)模型擬合的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的一致性，選擇穩(wěn)定且與試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合較好的本構(gòu)模型。

綜合分析，確定Ogden的3次模型作為此種橡膠材料的本

構(gòu)模型。

2.2 仿真模型建立

通過(guò)HyperMesh建立有限元模型：橡膠采用C3D8H和C3D6H單元模擬，橡膠材料采用Ogden的3次模型構(gòu)建；鋼管采用C3D8單元模擬，材料E=210 000 MPa，μ=0.3；橡膠間的接觸類型采用Small-sliding, surface to surface formulation frictionless；設(shè)置結(jié)構(gòu)非線性。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型和局部坐標(biāo)系

根據(jù)襯套剛度試驗(yàn)條件，建立仿真工況：約束襯套外部鋼管的3個(gè)平動(dòng)自由度；在內(nèi)部鋼管的內(nèi)側(cè)建立一剛體，剛體與內(nèi)部鋼管進(jìn)行綁定約束；在剛體參考點(diǎn)處根據(jù)局部坐標(biāo)系施加相應(yīng)載荷，輸出參考點(diǎn)的Displacement與CF的歷程曲線。

3 襯套剛度試驗(yàn)

X、Y、Z向平動(dòng)剛度測(cè)試。以10 mm/min的速率進(jìn)行加載，載荷為-6 000～6 000 N，預(yù)循環(huán)2 次，第3次采集數(shù)據(jù)，記錄F-s(力和位移)曲線；取F-s曲線上-1 000～1 000 N段的直線斜率作為其靜剛度值。

X、Y、Z向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度測(cè)試。以0～10°進(jìn)行加載，加載速率10°/min，預(yù)循環(huán)2 次，第3次記錄M-s(扭矩和位移)曲線；取M-s曲線上0～3°范圍的直線斜率作為其偏擺空心方向剛度值。

4 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

襯套X向仿真應(yīng)力云圖如圖4所示，襯套X剛度仿真曲線與試驗(yàn)剛度曲線對(duì)比如圖5所示，襯套各向剛度試驗(yàn)值與仿真值對(duì)比如表1所示。

圖4 襯套X向剛度仿真應(yīng)力云圖

圖5 襯套X向仿真曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比云圖

試驗(yàn)剛度仿真剛度誤差/%X向平動(dòng)剛度/(N·mm-1)35039011．4Y向平動(dòng)剛度/(N·mm-1)1250138010．4Z向平動(dòng)剛度/(N·mm-1)19021010．5X向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度/(N·mm·(°)-1)328031902．7Y向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度/(N·mm·(°)-1)96084012．5Z向轉(zhuǎn)動(dòng)剛度/(N·mm·(°)-1)2150190011．6

仿真與試驗(yàn)的最大誤差為12.5%，最小誤差為2.7%，平均誤差在9.9%，在工程可接受的誤差范圍內(nèi)。

經(jīng)分析，仿真與試驗(yàn)誤差原因主要有以下幾方面：

(1)橡膠材料試驗(yàn)樣件與襯套所用材料的一致性。橡膠材料試驗(yàn)與橡膠襯套試驗(yàn)所用的橡膠材料不是同一批次，不同批次的橡膠材料性能存在一定的差異；

(2)橡膠材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的分散性。由于材料試驗(yàn)本身存在一定誤差，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定誤差；

(3)仿真過(guò)程中，由于變形量較大，單元質(zhì)量發(fā)生變化，影響仿真結(jié)果。

通過(guò)以上原因分析，可以從以下幾個(gè)方面提高仿真精度：

(1)保證橡膠材料試驗(yàn)樣件與襯套所用材料的一致性；

(2)進(jìn)行材料試驗(yàn)時(shí)，密切關(guān)注試驗(yàn)過(guò)程，對(duì)于數(shù)據(jù)分散性較大的試驗(yàn)，可以增加試驗(yàn)次數(shù)、提高試驗(yàn)精度；

(3)有限元仿真時(shí)，控制網(wǎng)格質(zhì)量，防止發(fā)生大變形，提高模型收斂性。

5 總結(jié)

通過(guò)以上分析可以看出：利用有限元仿真的手段可以預(yù)測(cè)襯套的剛度，仿真技術(shù)路線已經(jīng)形成，能夠應(yīng)用到襯套開(kāi)發(fā)過(guò)程中，縮短開(kāi)發(fā)流程。具體仿真介入襯套開(kāi)發(fā)的流程如圖6所示。

但是，對(duì)于襯套剛度仿真，橡膠材料特性數(shù)據(jù)起決定性作用，是橡膠襯套分析的基礎(chǔ)和前提。沒(méi)有橡膠材料數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于有限元分析來(lái)講，就如“無(wú)源之水，無(wú)本之木”。

所以，現(xiàn)階段首先需要根據(jù)橡膠材料的配方，進(jìn)行橡膠材料特性試驗(yàn)，完善橡膠材料FEA基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為分析提供數(shù)據(jù)支持，才能使仿真在襯套開(kāi)發(fā)中真正起到作用。

【1】莊茁，張帆.ABAQUS非線性有限元分析與實(shí)例[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

【2】HyperMesh User’s Guide[M].

【3】Abaqus Analysis User’s Manual[M].

【4】楊曉翔.非線性橡膠的有限元法[M].北京：石油工業(yè)出版社，1999.

【5】龔科家，危銀濤，葉進(jìn)雄.填充橡膠超彈性本構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)與應(yīng)用[J].工程力學(xué),2009,26(6):193-198. GONG K J,WEI Y T,YE J X.Constitutive Parametric Experiment of Tire Rubber Hyperelastic Laws with Application[J].Engineering Mechanics,2009,26(6):193-198.

Research on the Development Technology for Automobile Bushing Stiffness

JING Xiangce1,2, LI Zhiqiang1,2, LIU Bo1,2

(1.Technical Center of Great Wall Motor Co., Ltd., Baoding Hebei 071000,China;2.Automotive Engineering Technology Research Center, Baoding Hebei 071000,China)

The bushing stiffness simulation can reduce the development period. The premise of bushing stiffness simulation is bushing rubber material performance test. The FEA model of the bushing was built and analyzed by FEA software. And the simulation results were compared with the test results so as to enhance the FEA simulation precision,which could be more effective on bushing designed.

Automobile bushing; Stiffness; Simulation; Test

2016-08-16

景向策(1982—),男，本科，工程師，研究方向?yàn)檐囕v有限元結(jié)構(gòu)仿真分析。E-mail:jingxiangce@gwm.cn。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.11.012

U463.99

A

1674-1986(2016)11-050-03