摘要：本文首先選取了幾種常見結(jié)構(gòu)襯套作為研究對象， 并采用合適的橡膠超彈性本構(gòu)模型在ABAQUS 軟件中計(jì)算其三向靜剛度；然后采用同一種膠料分別硫化四種襯套并在MTS833 彈性體測試平臺上測試得其力-位移曲線；最終將襯套的靜剛度計(jì)算值與測試值進(jìn)行對比研究，結(jié)果表明在ABAQUS 中可對橡膠靜態(tài)性能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的模擬，具有較高的工程價(jià)值。

關(guān)鍵字：橡膠襯套、有限元分析、測試、ABAQUS

1 概述橡膠減振器被廣泛地應(yīng)用于汽車減振系統(tǒng)，如動力總成懸置、底盤襯套和排氣管吊耳等。在這些系統(tǒng)中，橡膠減振器的線性靜態(tài)性能主要為滿足系統(tǒng)的減振性能要求，橡膠減振器的非線性靜態(tài)性能則為滿足系統(tǒng)的位移控制要求。因此，為了滿足系統(tǒng)的減振性能和位移控制要求，須對零件的結(jié)構(gòu)和橡膠配方進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。所以在設(shè)計(jì)初期，如何利用數(shù)值計(jì)算技術(shù)來準(zhǔn)確地預(yù)測零件的靜態(tài)性能，就變得極為重要。對零件的靜態(tài)特性進(jìn)行預(yù)測涉及諸多方面,如材料本構(gòu)模型的選擇、材料模型參數(shù)的獲得、計(jì)算方法的選擇等，需要根據(jù)企業(yè)實(shí)際情況建立橡膠減振件的計(jì)算規(guī)范，以期獲得一致而精確的結(jié)果。為獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，進(jìn)行計(jì)算與測試的相關(guān)性分析就顯得尤為重要。本文通過選取具有代表性的典型襯套結(jié)構(gòu)，進(jìn)行靜態(tài)性能的計(jì)算與測試，以期驗(yàn)證計(jì)算的精確度。在此相關(guān)性研究中，選取了具有代表性的橡膠減振件零件即橡膠襯套作為研究對象，選用天然橡膠N50 作為硫化原材料來制作樣件，采用MTS833 三軸向試驗(yàn)臺測試獲得其三向準(zhǔn)靜態(tài)性能曲線，使用ABAQUS 軟件計(jì)算了樣件的靜態(tài)剛度，用統(tǒng)計(jì)的方法對比了測試與計(jì)算的相關(guān)性。

2 橡膠襯套結(jié)構(gòu)與靜態(tài)性能測試

2.1 典型橡膠襯套結(jié)構(gòu)根據(jù)工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，篩選了最為常用的四個(gè)襯套結(jié)構(gòu)作為研究對象，如圖1所示。

襯套A 為橡膠襯套減振件中最基本的結(jié)構(gòu)形式，左右主簧呈60～150 度夾角，使襯套在Z 向運(yùn)動時(shí)主簧主要受拉壓載荷，并通過合適地安裝使襯套在常用載荷時(shí)受壓，以提高結(jié)構(gòu)疲勞性能。襯套B 對橡膠主簧進(jìn)行了變形處理，設(shè)計(jì)成斜十字交叉共四根主簧。襯套C 修改了襯套芯子的結(jié)構(gòu)，適合于單側(cè)芯子連接，經(jīng)常作為支撐減振器結(jié)構(gòu)。襯套D 考慮了左右主簧夾角中一定厚度橡膠銜接的狀態(tài)，主要為實(shí)現(xiàn)三向剛度比例的同時(shí)獲得較好的疲勞性能。為便于說明和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，這里對襯套的參考坐標(biāo)系做統(tǒng)一規(guī)定，X 向?yàn)閭?cè)向，Y 向?yàn)樾咀虞S向，Z 向?yàn)橐r套主方向，如圖2 所示。

2.2 橡膠襯套樣件與靜態(tài)性能測試

為獲得具統(tǒng)計(jì)意義的數(shù)據(jù)，對零件靜態(tài)性能測試方法做了統(tǒng)一要求。測試設(shè)備為MTS 833 三軸向試驗(yàn)臺，可利用同一套工裝測試襯套三向靜剛度曲線，如圖3 所示。為保持測試數(shù)據(jù)的可靠性與一致性，在橡膠襯套樣件制作與測試過程中進(jìn)行如下定義：1、為了避免橡膠配方不同導(dǎo)致的性能差異，零件制作時(shí)均使用天然橡膠N50；2、為保證分析模型與實(shí)際樣件幾何參數(shù)一致，不對零件進(jìn)行縮徑處理，且在無預(yù)載狀態(tài)下進(jìn)行剛度測試；3、定義測試載荷范圍， X 向加載力的范圍為-1000N 至1000N，Y 向加載力的范圍為-500N 至500N，Z 向加載力的范圍為-3500N 至3500N；4、為降低橡膠材料粘彈性對橡膠靜態(tài)性能測試的影響，定義加載控制為速度控制，速度為0.15mm/s；5、因主要關(guān)注襯套線性靜態(tài)性能，定義零件線性剛度取值范圍為在自由狀態(tài)下-150N -150N；6、基于統(tǒng)計(jì)原則，每個(gè)襯套結(jié)構(gòu)均采集了三個(gè)樣本的測試數(shù)據(jù)。

3 襯套靜態(tài)性能計(jì)算

考慮到ABAQUS 軟件擁有豐富的材料本構(gòu)模型，較強(qiáng)的非線性分析能力，以及強(qiáng)大的接觸算法，因此選擇ABAQUS 作為橡膠襯套靜態(tài)性能計(jì)算工具。橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型選用Mooney-Rivlin 模型。對于天然橡膠N50，其參數(shù)為C10=0.2897，C01=0.0599。由于橡膠是一種近似不可壓縮材料，在隱式解法中橡膠單元類型通常選用C3D8RH 和C3D8H，而C3D8H 有更佳變形能力，適合于計(jì)算大變形或接觸分析。這里網(wǎng)格類型采用C3D8RH（一階六面體減縮雜交單元）。襯套線性靜剛度是由主簧結(jié)構(gòu)和橡膠類型決定的，因此在建模過程中僅對襯套主簧進(jìn)行網(wǎng)格劃分?？紤]到襯套內(nèi)外管均為金屬結(jié)構(gòu)，如鋁合金、20#鋼等，剛度遠(yuǎn)高于橡膠主簧，因此在建模過程中均剛性處理。內(nèi)管與橡膠主簧硫化結(jié)合處，用剛性單元將襯套彈性中心與之關(guān)聯(lián)，作為激勵加載端。外管與橡膠主簧硫化結(jié)合處，建立6自由度的約束。四種襯套結(jié)構(gòu)的有限元網(wǎng)格模型如圖4 所示。

4 襯套測試與有限元分析結(jié)果對比根據(jù)零件實(shí)測數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)兩者的相對誤差。四種襯套結(jié)構(gòu)的力位移曲線的測試數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)分別見圖5、圖6、圖7 和圖8。

根據(jù)數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，同一零件的各樣本的測試數(shù)據(jù)差異很小，所以剛度測試值最終取三個(gè)樣本的均值。下表統(tǒng)計(jì)了襯套三向剛度的測試值與計(jì)算值。襯套A 的X、Z 向測試值比計(jì)算值低5%左右，Y 向持平，計(jì)算擬合效果良好。襯套B 三向剛度的測試值均比計(jì)算值高約13%，主要原因是該襯套采用模壓較高的注橡模制作產(chǎn)品，產(chǎn)品硬度高造成了剛度上升，但三向剛度比的吻合程度非常好。襯套C 的Y、Z 向測試值比計(jì)算值高8%，但三向剛度比仍控制在6%之內(nèi)。襯套D 也存在測試值明顯高于計(jì)算值的情況，但三向剛度比仍控制在6%之內(nèi)。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，襯套結(jié)構(gòu)三向剛度比例的計(jì)算測試相對誤差可控制在6%之內(nèi)，說明在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過有限元計(jì)算的方式可以較準(zhǔn)確地控制結(jié)構(gòu)靜態(tài)性能，避免樣件試制過程的盲目性。同時(shí)，三向剛度的測試值由于零件的硫化時(shí)間和模壓等會導(dǎo)致較大的變化，與計(jì)算值的相對誤差可控制在15%左右。根據(jù)橡膠硬度與彈性幾近正比的關(guān)系，可控制膠料硬度的偏差在3 度左右?？苫谀z料硬度對產(chǎn)品的工藝性與耐久性的影響，適當(dāng)調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

5 結(jié)論

基于對典型橡膠襯套的靜態(tài)性能的計(jì)算和測試對比，可得出如下結(jié)論：1、襯套式橡膠減振件的靜態(tài)性能可通過計(jì)算獲得比較準(zhǔn)確的預(yù)測，其中三向剛度比的計(jì)算測試相對誤差可控制在6%之內(nèi)，三向剛度值的計(jì)算測試相對誤差可控制在15%，便于在設(shè)計(jì)階段對零件結(jié)構(gòu)做修正；2、膠料類型、硫化方式、硫化時(shí)間等工藝因素會對橡膠減振件的靜態(tài)剛度性能產(chǎn)生明顯影響，但三向剛度比例主要由結(jié)構(gòu)決定；3、本研究的后續(xù)工作可從選取不同的橡膠本構(gòu)模型，選取不同結(jié)構(gòu)類型的橡膠減振件的角度進(jìn)行深入研究。作者：葉必軍 段小成 嚴(yán)妮娜 潘孝勇作者單位：（寧波拓普聲學(xué)振動技術(shù)有限公司，寧波，315806）