橡膠襯套靜剛度有限元分析與測試技術的應用現狀

聶振學

(青島科技大學 高分子科學與工程學院，山東 青島 266042)

橡膠襯套作為汽車上極為重要的承載結構原件，對汽車懸架的運動學特性、使用壽命以及汽車整體性能都有著十分重要的影響，要想對這些方面的特性進行精確的分析就必須要對橡膠襯套的力學性能進行深入的分析研究。橡膠襯套的力學性能包含很多方面，其中橡膠襯套的靜剛度是汽車懸架設計的基本參數，其靜剛度對于汽車的行駛過程也有著重要的影響。當汽車承受比較平緩的載荷時，橡膠襯套所產生的相對恒定的剛度就會保證汽車的平穩行駛。反之，在汽車承受了比較大的沖擊載荷時，橡膠襯套變剛度特性會相應的產生較大的剛度，由此來防止汽車出現異常行駛的情況。靜剛度作為橡膠襯套的靜態力學性能，對于橡膠襯套的研究有著很大的幫助，本文中即針對橡膠襯套的靜剛度，通過有限元的仿真分析以及相關試驗結果的對比來較為準確的計算橡膠襯套的剛度值[1]。

1 橡膠襯套試驗樣件彈性有限元分析

對于橡膠襯套的剛度特性分析涉及很多方面，其分析的準確性受到橡膠襯套試樣材料的選取、計算方法的選擇等諸多方面影響。常見橡膠襯套所用橡膠以天然橡膠為主，在進行分析之前，一般首先對橡膠材料性能進行測試。首先對橡膠材料進行拉伸試驗，進行拉伸的過程中使用到了拉力試驗機，為了保證拉伸試驗的準確性，會同時使用夾持器以及引伸計，由此

最大限度的提高拉伸試驗結果的精度。通過拉伸試驗可以得出所選取橡膠襯套材料的單軸拉伸、等雙軸拉伸以及平面拉伸試件的名義應力相關曲線，從中可以得到橡膠襯套試樣的相關拉伸特性，在使用過程也能夠更好的進行應用。一般的，橡膠襯套所使用的材料超彈性本構模型種類包括Yeoh以及Mooney-Rivlin等，在進行相關模型參數準確性的考察過程中，需要使用到上述的模型參數，以此來對橡膠襯套材料屬性進行分析。除了分析所使用材料的屬性之外，還需要對試樣的彈性特性進行仿真分析，仿真分析也是保證橡膠襯套測試結果準確性的重要手段，仿真分析過后還需要對所得到的結果進行比較，進一步得出測試材料的彈性特性。通過采用上述的方法進行拉伸分析，所得到的拉伸計算結果與實際試驗所得到的數據結果相差很小，由此便能說明所建立的模型參數是可靠的，可以用來較好的模擬橡膠襯套的靜態力學性能。

2 橡膠襯套靜剛度有限元分析與測試

2.1 橡膠襯套靜剛度有限元模型的建立簡要介紹

本次試驗所選取的橡膠襯套為某車型懸架后下擺臂襯套，該襯套的基本結構如下，首先襯套為三層骨架式結構，三層分別為橡膠層、鋼夾層以及鋼套層，其分布位置為內外層均為鋼套層，中間則為橡膠層，鋼夾層則位于橡膠層的中間。在使用過程中，橡膠體的表面是以硫化的方式與鋼套層結合在一起。在橡膠襯套有限元模型的建立過程中，要考慮到諸多方面的因素，首先是在剛度方面的考量，一般的，由于鋼材質的剛度遠遠大于橡膠的剛度，因而在模擬的過程中常選取以鋼體的方式進行模擬。在模擬過程中計算的精度以及規模會受到網格劃分形式的影響，常用的網格劃分形式主要有四面體以及六面體單元兩種，這兩種不同尺寸的網格建模形式都十分重要。橡膠襯套所用到的材料采用了超彈性本構模型參數進行模擬，并據此建立了相應的有限元模型，其中具體的網格尺寸包括1.0 mm以及0.75 mm，與此相對應的橡膠網格層數也是確定值。以上便是有限元模型的建立過程。

2.2 橡膠襯套靜剛度有限元計算結果簡要分析

橡膠襯套的徑向變形會產生比較復雜的應變分布，在此過程中有相應的近似理論，此時需要采用無量綱的徑向剛度系數來表示襯套抗徑向的變形能力。在此過程中需要計算的內容包括橡膠襯套徑向剛度、橡膠襯套軸向剛度以及橡膠襯套扭轉剛度。首先橡膠襯套的徑向剛度計算主要使用到的計算數據包括橡膠材料的剪切模量、載荷、襯套的長度以及對應的位移，根據這四個確定的量值可以進行橡膠襯套徑向剛度理論值的計算。對于橡膠襯套的軸向剛度理論值計算來說，其計算公式相較于徑向剛度十分簡便，只需要得到襯套的內外徑長度以及橡膠的剪切模量便可以依據給定的公式進行簡要的剛度值計算。最后對于橡膠襯套的軸向扭轉剛度理論值計算，其計算過程也并不復雜，與軸向剛度計算過程中所需要測定的參數一致，但計算公式上有了很大的變動。

總的來說，橡膠襯套的軸向剛度理論計算以及軸向扭轉剛度理論計算所需要測定的參數一致，并且由于橡膠材料的力學性能比較復雜，這就導致在進行理論計算的過程中應用了很多的假設內容，實際過程中的情況現如今還無法進行較為準確的描述，這就導致橡膠襯套的理論計算過程中比較困難，因而有限元分析及測試便顯得十分重要。

利用有限元進行計算最終所得出的結果如下，橡膠襯套的剛度計算仿真邊界條件定義，其約束外套管剛體單元節點以及內套管剛體單元分別會起到加載位移、扭轉角度等作用。從相關的計算結果可得出：對于同一網格類型，剛度會隨著尺寸的增大而發生變化，尺寸越大的情況下剛度越大，此外還可知不同網格尺寸以及網格類型對于徑向剛度有著十分重要的影響，然而網格的尺寸以及類型的不同對于軸向剛度以及扭轉剛度的影響卻比較小，最后還可以得到的結論是，四面體網格計算的剛度值比同尺寸下的六面體網格要大得多。以上便是經過有限元計算過后對數據進行對比分析所得出的結果。為了對橡膠襯套靜剛度的有限元分析結果進行驗證，后續還進行了一系列的試驗，主要是對橡膠襯套做測試，測試的量值包括軸向、徑向以及軸向扭轉剛度，根據理論剛度的計算方法測出了橡膠襯套的靜剛度，通過對比分析實驗結果、理論計算以及有限元法計算三種情況下所得到的數值，可以得出如下結論：三種測試所得到的數據結果誤差均保持在10%以內，其中有限元法進行計算與試驗的結果數據差值則更小，僅僅在5%左右，由此可知，橡膠襯套靜剛度采用有限元進行分析和測試能夠十分準確的分析出橡膠襯套的靜剛度，所得出的數據也是十分可靠的，可以進一步的推廣使用[2]。

2.3 橡膠襯套的剛度實驗簡要介紹

在進行橡膠襯套的剛度試驗時，需要使用到橡膠襯套靜態力學試驗及試驗工裝，在此過程中主要需要測定的物理參數包括以下幾點：分別是橡膠襯套的徑向、軸向剛度以及軸向扭轉剛度等。在進行測試的過程中需要盡可能的提高測試剛度的穩定性，由此可以最大限度的減少數據的重復性，避免進行無效數據的測試。

經過相關的試驗記錄下橡膠襯套的位移、扭轉角度等，經過計算可以得到相應的試驗剛度值。對橡膠襯套各個剛度的計算結果以及實際所測得的數值進行對比，可以發現尺寸比較小的網格計算所得出的結果與實際測得的數據更為符合，同時徑向剛度會隨著網格尺寸的減小而大大降低相對誤差。不僅如此，徑向網格層數的增大也會導致徑向剛度相對誤差的減小。

以上的實驗數據對比結果都表明橡膠襯套剛度的計算過程中，為了保證計算結果的準確性需要選取的四面體網格應當保證六層單元以上的網格，六面體網格則需要在四層以上。在此過程中要注意計算的效率，選擇大小合適的網格單元以及相應的尺寸，最大限度地提高計算的效率，同時在此過程中也要保證測量結果的精度，即精度以及計算效率是最為重要的兩方面，關于計算資源不能夠投入太多的關注，防止影響到最終測量結果[3]。

3 結束語

本文中就汽車懸架上橡膠襯套的靜剛度測試進行了深入的分析研究，其中有限元分析與測試對于橡膠襯套靜剛度測試有著十分重要的影響，有限元分析很好的契合了橡膠襯套剛度測試的過程，不僅能提高測試的精度，同時與實際的測試結果相對誤差很小，因而有限元分析及測試應當廣泛應用于橡膠襯套的剛度測試中。