橡胶衬套静态特性计算测试相关性分析

摘要：本文首先选取了几种常见结构衬套作为研究对象， 并采用合适的橡胶超弹性本构模型在ABAQUS 软件中计算其三向静刚度；然后采用同一种胶料分别硫化四种衬套并在MTS833 弹性体测试平台上测试得其力-位移曲线；最终将衬套的静刚度计算值与测试值进行对比研究，结果表明在ABAQUS 中可对橡胶静态性能进行较为准确的模拟，具有较高的工程价值。

关键字：橡胶衬套、有限元分析、测试、ABAQUS

1 概述橡胶减振器被广泛地应用于汽车减振系统，如动力总成悬置、底盘衬套和排气管吊耳等。在这些系统中，橡胶减振器的线性静态性能主要为满足系统的减振性能要求，橡胶减振器的非线性静态性能则为满足系统的位移控制要求。因此，为了满足系统的减振性能和位移控制要求，须对零件的结构和橡胶配方进行设计和优化。所以在设计初期，如何利用数值计算技术来准确地预测零件的静态性能，就变得极为重要。对零件的静态特性进行预测涉及诸多方面,如材料本构模型的选择、材料模型参数的获得、计算方法的选择等，需要根据企业实际情况建立橡胶减振件的计算规范，以期获得一致而精确的结果。为获得准确的结果，进行计算与测试的相关性分析就显得尤为重要。本文通过选取具有代表性的典型衬套结构，进行静态性能的计算与测试，以期验证计算的精确度。在此相关性研究中，选取了具有代表性的橡胶减振件零件即橡胶衬套作为研究对象，选用天然橡胶N50 作为硫化原材料来制作样件，采用MTS833 三轴向试验台测试获得其三向准静态性能曲线，使用ABAQUS 软件计算了样件的静态刚度，用统计的方法对比了测试与计算的相关性。

2 橡胶衬套结构与静态性能测试

2.1 典型橡胶衬套结构根据工程应用经验，筛选了最为常用的四个衬套结构作为研究对象，如图1所示。

衬套A 为橡胶衬套减振件中最基本的结构形式，左右主簧呈60～150 度夹角，使衬套在Z 向运动时主簧主要受拉压载荷，并通过合适地安装使衬套在常用载荷时受压，以提高结构疲劳性能。衬套B 对橡胶主簧进行了变形处理，设计成斜十字交叉共四根主簧。衬套C 修改了衬套芯子的结构，适合于单侧芯子连接，经常作为支撑减振器结构。衬套D 考虑了左右主簧夹角中一定厚度橡胶衔接的状态，主要为实现三向刚度比例的同时获得较好的疲劳性能。为便于说明和数据统计，这里对衬套的参考坐标系做统一规定，X 向为侧向，Y 向为芯子轴向，Z 向为衬套主方向，如图2 所示。

2.2 橡胶衬套样件与静态性能测试

为获得具统计意义的数据，对零件静态性能测试方法做了统一要求。测试设备为MTS 833 三轴向试验台，可利用同一套工装测试衬套三向静刚度曲线，如图3 所示。为保持测试数据的可靠性与一致性，在橡胶衬套样件制作与测试过程中进行如下定义：1、为了避免橡胶配方不同导致的性能差异，零件制作时均使用天然橡胶N50；2、为保证分析模型与实际样件几何参数一致，不对零件进行缩径处理，且在无预载状态下进行刚度测试；3、定义测试载荷范围， X 向加载力的范围为-1000N 至1000N，Y 向加载力的范围为-500N 至500N，Z 向加载力的范围为-3500N 至3500N；4、为降低橡胶材料粘弹性对橡胶静态性能测试的影响，定义加载控制为速度控制，速度为0.15mm/s；5、因主要关注衬套线性静态性能，定义零件线性刚度取值范围为在自由状态下-150N -150N；6、基于统计原则，每个衬套结构均采集了三个样本的测试数据。

3 衬套静态性能计算

考虑到ABAQUS 软件拥有丰富的材料本构模型，较强的非线性分析能力，以及强大的接触算法，因此选择ABAQUS 作为橡胶衬套静态性能计算工具。橡胶材料的超弹性本构模型选用Mooney-Rivlin 模型。对于天然橡胶N50，其参数为C10=0.2897，C01=0.0599。由于橡胶是一种近似不可压缩材料，在隐式解法中橡胶单元类型通常选用C3D8RH 和C3D8H，而C3D8H 有更佳变形能力，适合于计算大变形或接触分析。这里网格类型采用C3D8RH（一阶六面体减缩杂交单元）。衬套线性静刚度是由主簧结构和橡胶类型决定的，因此在建模过程中仅对衬套主簧进行网格划分。考虑到衬套内外管均为金属结构，如铝合金、20#钢等，刚度远高于橡胶主簧，因此在建模过程中均刚性处理。内管与橡胶主簧硫化结合处，用刚性单元将衬套弹性中心与之关联，作为激励加载端。外管与橡胶主簧硫化结合处，建立6自由度的约束。四种衬套结构的有限元网格模型如图4 所示。

4 衬套测试与有限元分析结果对比根据零件实测数据和计算数据，统计两者的相对误差。四种衬套结构的力位移曲线的测试数据与计算数据分别见图5、图6、图7 和图8。

根据数据对比发现，同一零件的各样本的测试数据差异很小，所以刚度测试值最终取三个样本的均值。下表统计了衬套三向刚度的测试值与计算值。衬套A 的X、Z 向测试值比计算值低5%左右，Y 向持平，计算拟合效果良好。衬套B 三向刚度的测试值均比计算值高约13%，主要原因是该衬套采用模压较高的注橡模制作产品，产品硬度高造成了刚度上升，但三向刚度比的吻合程度非常好。衬套C 的Y、Z 向测试值比计算值高8%，但三向刚度比仍控制在6%之内。衬套D 也存在测试值明显高于计算值的情况，但三向刚度比仍控制在6%之内。

根据统计结果可发现，衬套结构三向刚度比例的计算测试相对误差可控制在6%之内，说明在结构设计阶段，通过有限元计算的方式可以较准确地控制结构静态性能，避免样件试制过程的盲目性。同时，三向刚度的测试值由于零件的硫化时间和模压等会导致较大的变化，与计算值的相对误差可控制在15%左右。根据橡胶硬度与弹性几近正比的关系，可控制胶料硬度的偏差在3 度左右。可基于胶料硬度对产品的工艺性与耐久性的影响，适当调整产品的结构设计方案。

5 结论

基于对典型橡胶衬套的静态性能的计算和测试对比，可得出如下结论：1、衬套式橡胶减振件的静态性能可通过计算获得比较准确的预测，其中三向刚度比的计算测试相对误差可控制在6%之内，三向刚度值的计算测试相对误差可控制在15%，便于在设计阶段对零件结构做修正；2、胶料类型、硫化方式、硫化时间等工艺因素会对橡胶减振件的静态刚度性能产生明显影响，但三向刚度比例主要由结构决定；3、本研究的后续工作可从选取不同的橡胶本构模型，选取不同结构类型的橡胶减振件的角度进行深入研究。作者：叶必军 段小成 严妮娜 潘孝勇作者单位：（宁波拓普声学振动技术有限公司，宁波，315806）