橡膠隔振器的靜態性能設計方法

成佳麗

摘 要：橡膠隔振器的靜態性能對于橡膠隔振器的整體性能非常重要，為了使得橡膠隔振器性能得以改善，需要注重其靜態性能的設計。其中影響橡膠隔震器性能的因素有很多，例如材料特點、結構、形狀等等。該文首先采用雙參數Mooney-Rivlin模型對橡膠隔振器靜態性能進行數值計算。然后對隔振器開展了試驗研究，并將兩者進行對比，結果表明數值計算是可以為隔振器橡膠材料的設計選擇提供一定依據的。該文研究的結果對隔振器的優化設計具有指導性意義。

關鍵詞：隔振器 數值計算 Mooney-Rivlin模型

中圖分類號：TB535.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）02（a）-0050-03

橡膠隔振器具有體積小、外型簡單、有效吸收振動能量、成本低等諸多優點，目前已經在各種航空、航天、船舶等產品中廣泛采用。該文研究的隔振器是為飛機高速轉子動力裝置安裝系統設計的，外部金屬殼體與動力裝置、飛機機身剛性連接，內部橡膠通過粘結劑與外部金屬殼體連成整體。一方面懸掛支撐動力裝置，另一方面能夠隔離飛機與動力裝置之間的振動傳遞。這就要求該隔振器除了隔離振動之外，還要具備足夠強度連接支撐100多公斤的動力裝置，且在承受額定載荷、過載等各種情況下位移量不超過一定限制，否則將引起動力裝置某些硬連接管路的變形或者斷裂，造成更大危害。

隔振器的靜態及動態特性由橡膠材料確定，工作性能與其材料特點、結構、形狀、尺寸、承載的方式均有關系。該文研究的隔振器的彈性元件是硅橡膠，為一種典型的超彈材料，具有良好的伸縮性和復原性。但不同于金屬材料的性能只需要較少參數表征而言，硅橡膠材料的特性表述非常錯綜復雜，且具有很強的非線性，如應變量大、應力應變呈高度非線性、材料近似不可壓縮等。這使得在工程上對橡膠材料的運用存在非常大的不可預估性，長期以來多憑借經驗或試湊法，通過不斷反復試制、試驗來設計滿足性能要求的隔振器產品。

1 原理及算法模型

橡膠模型的數值計算基于超彈性理論，即基于橡膠各向同性和體積近似不可壓縮的假設，用一個統一的物理量應變能密度函數（）對橡膠進行表征。考慮到有限可壓縮情況，橡膠材料模型最一般的形式如下：

ANSYS軟件中雙參數Mooney-Rivlin模型可以很好模擬橡膠材料的中、小型變形行為，與拉伸試驗數據在100%、壓縮50%應變范圍內的相關性能較好。因此該文選擇雙參數Mooney-Rivlin模型進行橡膠件的有限元分析。其雙參數應變能密度函數模型如下：

式（2）中，N、Cij和為材料常數，由材料試驗所確定；對于不可壓縮材料，J=1。

在計算過程中，通過確定其Mooney-Rivlin常數來表征其材料特性。利用Mooney-Rivlin常數，可以通過有限元方法計算出各種形狀橡膠體的靜態特性。

該文通過對橡膠材料采用單軸向拉伸試驗得出Mooney-Rivlin模型中C10和C01常數。

對于單軸向拉伸，有（另外兩個方向上的形變量）。

根據橡膠試片的單軸拉伸試驗測試出不同拉伸比下的應力值，然后以為橫坐標，以為縱坐標，把試驗點表述在相應坐標系中，并把這些試驗點回歸成一條直線，C10為這條直線的截距，C01為這條直線的斜率。

2 數值計算

首先通過對不同彈性元件材料——橡膠的啞鈴狀試片分別進行單軸拉伸試驗，得到相應的應力-應變曲線（注：試樣制作標準按GB/T528-1998），從而獲得其材料基本常數。再通過ANSYS軟件對隔振器模型進行參數設置和分析，能夠更加快速的選擇滿足或接近靜態性能要求的橡膠材料。

如圖1所示，為最終確認選擇的硅橡膠材料的應力應變曲線。通過第一節提供的計算方法得到雙參數Mooney-Rivlin常數，C10=0.228，C01=0.057。

隔振器的實體模型是利用Unigraphics建立的，將三維模型導入專業前處理軟件ANSA作前處理，再利用ANSYS軟件的Mooney-Rivlin模型對其橡膠件進行靜態性能分析。

將隔振器中的橡膠件建立有限元模型，如圖2所示。模型共包含4 356個六面體單元，單元類型為AYSYS軟件中的SOLID185實體單元。

按照實際受力情況為模型設置邊界條件，并在隔振器受力點上分別施加10～80 kg的重力，求解在10～80 kg（每10 kg為一個數值計算點）作用下內部平臺的位移量，計算結果見表1及圖3。

3 試驗方法

在隔振器靜力試驗臺上進行靜態試驗，測量隔振器不同載荷下的橡膠位移量。

試驗設備及精度：靜力試驗臺、BK-2B力傳感器（0.05%）、DA-10位移傳感器（0.5%）、液壓缸，傳感器測點布置如圖4所示。

試驗步驟：（1）將隔振器通過螺栓機械連接到靜力試驗臺上；（2）調整液壓缸操作泵，使力傳感器調整到度數為零位置，保證試驗開始前隔振器不受力，并讀出此時位移傳感器的讀數L1；（3）通過液壓缸對隔振器分別施加10～80 kg（每10 kg遞增）的拉力，保持3 s后，記下位移傳感器儀表穩定后的讀數L2；（4）隔振器在每個拉力下的壓縮位移為L=L2- L1，該拉力下隔振器的靜強度N/m。

4 試驗與計算結果對比

將試驗結果與數值模擬結果進行對比分析，計算其誤差率得到結果如表2。

5 結語

對比隔振器靜態試驗測量結果，可以看到數值計算結果具有較好的符合性。證明Mooney-Rivlin模型的數值計算結果對今后設計隔振器靜態性能以及確定橡膠材料的選擇是一種有效的途徑。采用數值計算的方法對橡膠隔振器進行靜態性能分析，不僅能夠在初期檢驗產品設計的合理性，還能夠安全、有效地代替部分試驗，大大減少研制前期對橡膠材料的繁瑣試制和試驗工作、縮短研發周期。

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