橡胶衬套疲劳仿真技术

橡胶衬套是一种具有良好弹性的工程材料,能承受大应变而不会发生永久性的变形和断裂。汽车行业中,橡胶材料被广泛应用在各种减震降噪装置中。在橡胶产品开发中,耐久性能是重点关注的性能,因为橡胶衬套疲劳失效,会大大影响整车的操稳性能和舒适性能,甚至影响正常的安全性能,从而导致事故发生。


橡胶衬套疲劳仿真技术的图1
目前,国内橡胶产品的设计开发主要依托试验进行验证,导致产品的设计周期长,开发费用高。如果在项目开发的早期,通过虚拟仿真分析的方法,就可以有效地预测橡胶衬套的耐久性能,并且节省大量费用,缩短开发周期。

橡胶衬套疲劳仿真技术的图2

1、橡胶衬套CAE网格模型的建立

考虑到橡胶的大变形,需要采用六面体网格单元进行仿真计算,才能得到正确的结果。但是,如果模型结构复杂,六面体建模往往难度很大。橡胶衬套需要考虑整车NVH性能,各个方向上的刚度要求不一样,因此结构设计的较为复杂,使得六面体网格建模非常困难。针对不同的橡胶衬套,我们制定了各种不同的衬套建模方法。下图是某摆臂舒适性衬套的建模方法。

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2、基于ABAQUS的橡胶衬套应力应变计算

基于ABAQUS软件,选择合适的橡胶本构模型,就可以进行橡胶衬套的应力应变计算。橡胶衬套因为要保证整车的NVH性能,一般运动行程都很大,因而衬套的应变极大,应力应变非线性计算时,容易不收敛,无法进行下一步的疲劳计算。通过调整有限元模型,增加收敛控制系数,提高沙漏刚度等手段,可以得到收敛结果。

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3、橡胶材料疲劳参数的获得

橡胶裂纹扩展法,主要研究预先存在于结构中的初始微小裂纹在各种使用环境下,扩展到临界尺寸的循环次数。橡胶零件的寿命绝大多数取决于小裂纹的生长。通过一系列疲劳试验,可以获得橡胶裂纹扩展率与能量释放率之间的关系,组成裂纹扩展参数模型。采用Lake-Lindley 模型来进行疲劳寿命研究,并进行材料试验,获得该疲劳模型的必要参数,即裂纹扩展Lake-Lindley模型。

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4、基于FE-SAFE RUBBER的橡胶衬套疲劳计算

FE-SAFE RUBBER模块,是目前唯一商用化的橡胶疲劳分析软件。输入零件应力应变结果以及载荷历程后即可进行计算。支持多种应力应变计算软件接口,如NASTRAN、ABAQUS、DYNA等。自带多种常用橡胶的疲劳参数曲线,并且支持实际疲劳试验参数。

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5、橡胶衬套疲劳仿真典型案例

下图是某悬置衬套的疲劳仿真计算结果。可以看出损伤最大位置和应力应变的最大位置是不同的,所以有必要进行疲劳仿真分析。

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橡胶疲劳仿真技术,目前还有很多难题需要攻关解决。橡胶的大应变计算还是不稳定:比如橡胶材料种类繁多,不同产家的橡胶配方也不一样,我们只完成了几种橡胶的材料试验,也花费了大量的经费,每种橡胶都进行材料试验,肯定是不切实际的。比如,仿真结果与实际结果的差异,还需要进一步的对标。所以,橡胶疲劳仿真技术的发展,任重而道远!

橡胶衬套疲劳仿真技术的图13


本文来自上汽安全与CAE技术

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