橡胶衬套疲劳仿真技术

2018-03-27 09:43:02· 来源：上汽安全与CAE技术作者：姜辉

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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！

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