汽车发动机橡胶悬置动特性仿真与试验研究精

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1、汽车科技第4期2009年7月收稿日期：2008-12-26如今汽车已经成为人们不可或缺的交通工具，人们对汽车的要求，也越来越高。最初汽车只是简单 的代步工具，而目前人们不仅要求汽车是代步工具，而且 要求汽车的乘坐舒适性和安全性，在这些要求 的推动下，汽车减震部件就扮演着越 来越重要的角 色1。其中发动机橡胶悬置元件是最重要的元件之一。1橡胶本构理论对于橡胶类材料的本构理论2的研究，历史上形成了两种方法：统计理论和唯象理论。统计理论从 橡胶自身的物理机制出发，建立的数学模型描述范 围较宽，不仅包括力学行为，还包括溶胀等行为，但这 类模型只适用于定性及理论分析，在工程中无实 际用途。唯象理论仅涉及

2、所观察 到的橡胶的性质，而不考虑橡胶微观结构导出应力和应变之间的非线性弹性关系,在实际工程中能准确描述橡胶类材料变形一般性质的精确数学表示式。理论研究表明，橡胶材料性能接近于超弹性材料。超弹性材料可以用应变能W来表达应力-应变 关系，此函数形式及其中 所包含的常数须由试验确定。橡胶材料是一种各向 同性 的体积不可压缩或体积近似不可压缩材料，其非线性弹性特性可以用超弹性模型描 述。超弹性材料的本构关系可以用弹性应变能函数描述为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为橡胶试样初始长度，的下标1、2、3分别代表互相垂直的X、丫、Z方向。如视橡胶材料为不可压缩超 弹性材料，则I 3=1,因此式(1可简化为W =W (I 1, I 2 (2橡胶材料的具体应变能函数种类很多。一般有二项Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型等。其中Mooney-Rivlin模型是一个经典的模 型，几乎可以模拟所有橡胶材料的力学行为。其应变能表达式为汽车发动机橡胶悬置动特性仿真与试验研究张伟峰1,李金山2,彭建方2,魏道高1(1.合肥工业大学 机械与汽车工程学院，合肥230009; 2.中鼎减震橡胶技术有

4、限公司技术开发部，宁国242300摘要：应用橡胶类材料的非线性本构理论和橡胶 悬置产品的动刚度计算方法，以及有限元分析软件abaqus对国内某 款橡胶悬置产 品动刚度进行了分析。运用abaqus对该汽车悬置产品动刚度和阻尼进行了计算，且计算结果与实验结果相一致，说明其具有工程应用价值。关键词：橡胶悬置；动刚度;阻尼;abaqus中图分类号:U464.12文献标志码:A文章编号：1005-2550(2009 04-0062-03Simulati on and Test for the Dyn amic Specialty of the Engine s Moun ti ng RubberZHAN

5、G 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 rubber m

6、aterial 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 meas

7、uri 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 ; abaqus

8、试验测试W =C 10(I 1-3 +C 01(I 2-3式中，C 10和C01是材料常数，可以通过单项拉伸试验获得。由于简单和实用，该模型获得了广泛的应用，本文计算实例也采用该模型，其 中涉及的系数C 10和C 01分别为0.4947和0.0639。由于橡胶是粘弹性材料，当其承受类似正弦或冲 击载荷作用时，阻尼的存在将 使应变滞后于应力，材料的这种动态特性，称为粘弹性，动态载荷作用下所 产生的 刚度称为动刚度3。对橡胶悬置产品来说，动刚度的计算采用割线刚度来表示动 刚度，动刚度的计算 示意如图1所示，从图中可知：动刚度=力/变形量。图1动刚度的定义2有限元仿真计算和实验验证2.1建立有限元模

9、型本文所研究的样车橡胶悬置三维实体模型如图 2所示。安装时将外套与车架 固定，内套与发动机固定。当汽车运行时，橡胶悬置起到缓冲发动机振动的作用 4。因此参考abaqus的帮助文件,在abaqus中作如下处理来模拟橡胶悬置的工作 过程。图2橡胶悬置三维实体模型(1先在pro/E里建立橡胶悬置的三维实体模 型,去掉金属内套和外套,将橡胶 悬置主体部分(图2中V型部分 取出，之后导入abaqus里。并赋予橡 胶材料截面 (Section并划分网格,得到5878个C3D8R单元,建立橡胶悬置的有限元模型。最 后在ini tial分析步中给外壁施加固定边界条件：ENCAST- ER(U1=U2=U3=U

10、R1=UR2=UR3。(2建立dyn amic explicit分析步一,在此步中主要实现橡胶悬置的Z向预 压。具体做法如下：建立参考点rp-1,使用coupling约束将其与内壁耦合。然后 在点rp-1施加Z向(垂向、大小为608N的预压力，预压橡胶悬置至预定的位 置。(3建立dynamic explicit分析步二，在此步中主 要模拟发动机的振动。同分析 步一,建立参考点rp-2,使用coupling约束将其与内壁耦合。然后在点rp-2施加Z 向的一定频率和相应幅值的正弦位移激励来模拟发动机的振动，具体的频率与幅值 见表1。表1激励频率与对应的幅值(4在分析步一和分析步二中设置激励输入点r

11、p-2的历史输出变量rf3和u3,即z方向的反力和z方向的位移。2.2仿真与实验结果分析2.2.1仿真计算过程进入job模块 。在job模块中,建立分析任务，之后提交分析任务。待分 析任务结束后，点击job manager对话框中的results按钮进入后处理模块5,在后 处理模块中观察分析结果。2.2.2仿真计算结果如图3所示，在预压分析步一开始之前，橡胶体内S.Mises应力处为零。此时 橡胶处于零预压、自然形变状态。待预压分析步结束时（见图4,此时608N的 预压力全部压在橡胶上，显然橡胶悬置与外套结合处 S.Mises应力最大，橡胶处于 预压形变状态。图3预压变形之前图4预压变形之后频

12、率 /HZ15304575100幅值 /mm0.50.20.10.050.01汽车发动机橡胶悬置动特性仿真与试验研究/张伟峰，李金山，彭建方，等试验测试63 汽车科技第4期2009年7月在预压变形的基础上，分析步二中对橡胶悬置施加一定频率和相应幅值的正弦位移激励。在abaqus软件的后处理模块中，得到激励输入点rp-2的反力（f3随时间的变化曲线以及反力随位移（u3的变化曲线。图5为15Hz频率下的反力随时间的变化曲线，将图5中的曲线用正弦函数拟合之后,联合位移曲线即可得到图6所示15Hz频率下的迟滞（反力-位移变化曲线。图5反力与时间关系曲线图6迟滞曲线223实验验证为了验证仿真结果的正确性

13、,所以对本产品在 实验台MTS831上进行实验。 实验时，先按照产品实 验要求，将产品安装在实验台架上。之后设定实验设 备参 数，并在实验软件中将力传感器、加速度传感器清零。然后开始实验，待实验结 束时，从实验台屏幕 上读出橡胶悬置的动刚度和阻尼。实验结果如图7和图8所 示。从图中可以看到：随着频率的增加，动刚度变大，阻尼值减小，而且仿真值和 实验值相当接近。比如在15Hz时，动刚度实验值为126.2N/mm,而仿真值为 124.1N/mm,误差仅为1.7%。阻尼的实验值为0.0726Ns/mm,而仿真值为 0.066Ns/mm,误差为9.1%。证明计算动刚度的方法正确,完全可以用来指导橡胶

14、悬置产品的开发设计。图7动刚度与频率关系曲线图8阻尼与频率关系曲线3结束语在有限元分析软件abaqus里建立了样车悬置 产品的有限元分析模型，对模型 进行了仿真分析，并且用实验验证了方法的正确性，实现了该车型对发 动机橡胶悬 置动特性设计的要求。所以该分析方法 为进一步分析发动机与整车的匹配打下基 础。参考文献1 钱振为，徐石安，陈立明汽车发动机悬置系统结构动态 参数的选择与 子系统之间的匹配J .汽车工程，1988, 10(4 .2 杨晓翔.非线性橡胶材料的有限单元法M 北京 石油工业出版社， 1999:70-82.3 黄友剑.城市地铁轨道减振器结构及性能研究D .长沙：中南大学，2004:53.4 Riesi ng E F. Resilie nt Mou ntings for Passe nger-Car Pow -er-pla nt J . SAE Trans , 1950,(1 .试验测试