專利名稱：一種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
動(dòng)カ總成懸置系統(tǒng)包括橡膠懸置件和支架連接件，其作為汽車關(guān)鍵的連接結(jié)構(gòu)，不僅要提供良好的隔振性能，還需要滿足子系統(tǒng)的安全性、耐久性等要求。對(duì)于懸置結(jié)構(gòu)中起隔振作用的橡膠減振件，其疲勞耐久性能顯得尤為重要。因此，如何提高橡膠減振件的疲勞耐久性能，就成為橡膠減振器生產(chǎn)企業(yè)急需解決的問題。現(xiàn)階段，評(píng)價(jià)橡膠減振器的耐久性能是通過疲勞測(cè)試來完成，這種方法缺點(diǎn)是試驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，以解·決現(xiàn)有技術(shù)試驗(yàn)周期長(zhǎng)，成本高的問題。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，包括下列步驟①按類型定義橡膠減振件的臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)要求，確定結(jié)構(gòu)局部疲勞失效熱點(diǎn)區(qū)域；②選取試驗(yàn)載荷作為疲勞設(shè)計(jì)載荷，采用有限元法計(jì)算初始結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布；③利用橡膠材料應(yīng)變-壽命(ε -N)曲線計(jì)算熱點(diǎn)區(qū)域載荷壽命，并根據(jù)線性疲勞累積損傷理論評(píng)估懸置結(jié)構(gòu)整體疲勞壽命；④與疲勞耐久試驗(yàn)要求的壽命值進(jìn)行比較，評(píng)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性并進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞優(yōu)化。所述的步驟②中選取Mooney-Rivlin模型作為懸置有限元計(jì)算的材料輸入。所述的步驟②中采用的有限元法包括如下步驟(I)利用Hypermesh軟件對(duì)橡膠減振件進(jìn)行網(wǎng)格劃分；(2 )利用ABAQUS軟件建立分析模型；(3)將步驟①中定義的試驗(yàn)要求所得到的疲勞載荷輸入到ABAQUS軟件中，計(jì)算得到應(yīng)變分布。所述的步驟③中采用橡膠啞鈴試片，進(jìn)行不同平均應(yīng)變和不同應(yīng)變幅值的疲勞拉伸試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果并歸納其壽命與平均應(yīng)變和應(yīng)變幅值的關(guān)系，將平均應(yīng)變和應(yīng)變幅值組成的矩陣等效為最大主應(yīng)變，從而獲得所述的橡膠材料的應(yīng)變-壽命(ε-Ν)曲線。所述的步驟③中Ν=κ* ( ε )'其中N為載荷循環(huán)次數(shù)，即疲勞壽命，ε為熱點(diǎn)處損傷參數(shù)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于此方法試驗(yàn)周期短、成本低廉，可在項(xiàng)目開展前期預(yù)測(cè)疲勞載荷損傷分布和零件壽命，評(píng)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，從而對(duì)減振件進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的優(yōu)化。


圖I為本發(fā)明的流程圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中動(dòng)カ總成后抗扭懸置總成的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中橡膠減振件及其失效熱點(diǎn)區(qū)域；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中橡膠減振件有限元模型；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中后懸置垂向力-位移曲線；圖6a)為本發(fā)明實(shí)施例中橡膠減振件應(yīng)變分布的垂向正向工況；圖6b)為本發(fā)明實(shí)施例中橡膠減振件應(yīng)變分布的垂向負(fù)向工況； 圖7a)為本發(fā)明實(shí)施例中熱點(diǎn)區(qū)域E應(yīng)變分布的垂向正向エ況；圖7b)為本發(fā)明實(shí)施例中熱點(diǎn)區(qū)域E應(yīng)變分布的垂向負(fù)向エ況；圖8為本發(fā)明實(shí)施例中后懸置臺(tái)架試驗(yàn)裝夾方式示意圖；圖9為本發(fā)明實(shí)施例中后懸置臺(tái)架試驗(yàn)后產(chǎn)生失效裂紋的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)描述現(xiàn)以某動(dòng)カ總成后抗扭懸置中的橡膠減振件為例，進(jìn)行橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)，包括如下步驟①按類型定義橡膠減振件的臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)要求，確定結(jié)構(gòu)局部疲勞失效熱點(diǎn)區(qū)域。本例中的后抗扭懸置不僅承擔(dān)動(dòng)カ總成扭矩載荷，還承受來自整車的垂向和縱向載荷。試驗(yàn)表明，路面激勵(lì)產(chǎn)生的載荷更易造成其疲勞失效，因此這里僅討論其整車垂向的結(jié)構(gòu)疲勞。此零件臺(tái)架強(qiáng)度試驗(yàn)要求是以5Hz的速度沿整車垂向加載±2000N，40萬(wàn)次后橡膠無(wú)明顯裂紋。后抗扭懸置的疲勞失效通常出現(xiàn)在橡膠減振件主簧與內(nèi)芯子和外管的圓角過渡處，橡膠限位塊區(qū)域存在疲勞風(fēng)險(xiǎn)可能性較小，因此在橡膠減振件的主簧上定義了如圖3所示的五個(gè)疲勞失效熱點(diǎn)區(qū)域A、B、C、D與E。②選取試驗(yàn)載荷作為疲勞設(shè)計(jì)載荷，采用有限元法計(jì)算初始結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布。與金屬材料的線彈性不同，橡膠材料的靜態(tài)性能表現(xiàn)為應(yīng)力與應(yīng)變的非線性，一般稱為超彈性，目前表征超彈性的本構(gòu)模型包括有Mooney-Rivlin模型、Van der Waals模型、Marlow 模型、Ogden 模型、Neo-Hookean 模型、Yeoh 模型和 Arruda-Boyce 模型等。橡膠材料靜態(tài)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)包括單軸拉伸實(shí)驗(yàn)、等雙軸拉伸實(shí)驗(yàn)、平面拉伸實(shí)驗(yàn)和體積壓縮實(shí)驗(yàn)，可通過這些實(shí)驗(yàn)獲得材料本構(gòu)模型的參數(shù)。經(jīng)驗(yàn)證，在懸置類零件的主要變形范圍內(nèi),Mooney-Rivlin模型吻合程度較高,故此處選取Mooney-Rivlin模型用于懸置有限元計(jì)算的材料輸入。步驟②具體過程如下(I)利用Hypermesh軟件對(duì)橡膠減振件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。本具體實(shí)施例中采用Hypermesh軟件對(duì)橡膠減振件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于橡膠屬于大變形材料，且疲勞計(jì)算需要關(guān)注結(jié)構(gòu)的局部應(yīng)カー應(yīng)變分布，故對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量和軟件計(jì)算能力要求較高。一般采用六面體網(wǎng)格對(duì)橡膠結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，在倒角處或易發(fā)生疲勞失效的區(qū)域還應(yīng)進(jìn)行網(wǎng)格局部細(xì)化。橡膠是ー種典型的具有不可壓縮性質(zhì)的材料，故橡膠材料采用C3D8H單元類型，即ー階六面體雜交單元。為降低有限元建模的復(fù)雜程度，提高計(jì)算效率，網(wǎng)格建模過程中對(duì)橡膠減振件進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即只生成懸置橡膠主簧的網(wǎng)格，通過約束懸置橡膠主簧外側(cè)(夕卜管硫化)單元節(jié)點(diǎn)6個(gè)方向自由度來模擬懸置橡膠外管約束邊界，在懸置中心建立與懸置橡膠主簧的內(nèi)側(cè)(與芯子硫化處)單元節(jié)點(diǎn)的剛性連接來模擬內(nèi)芯子加載，如圖4所示。 (2 )利用ABAQUS軟件建立分析模型。利用ABAQUS軟件建立分析模型，計(jì)算前處理設(shè)置時(shí)應(yīng)開啟非線性幾何變形功能。(3)將步驟①中定義的試驗(yàn)要求所得到的疲勞載荷輸入到ABAQUS軟件中，計(jì)算得到應(yīng)變分布。由于橡膠限位塊區(qū)域不存在疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)，故有限元建模過程中，省略了撞塊結(jié)·構(gòu)，但需通過懸置剛度曲線將疲勞カ載荷等效為位移載荷。將步驟①中定義的試驗(yàn)要求所得到的疲勞載荷，輸入到ABAQUS軟件中，分析得到該懸置垂向力-位移曲線，如圖5所示，疲勞カ載荷±2000N即等效為疲勞位移載荷-12. 4mm至12. 3mm。在懸置中心分別施加沿正負(fù)垂向的疲勞位移，通過ABAQUS軟件計(jì)算得到橡膠減振件主簧結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布，如圖6所示。根據(jù)橡膠主簧的變形和應(yīng)變分布，一般認(rèn)為發(fā)生疲勞失效的潛在位置是熱點(diǎn)區(qū)域E。熱點(diǎn)區(qū)域E在正垂向加載時(shí)所受拉伸狀態(tài)成分較多，在垂向向下加載時(shí)發(fā)生局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，易產(chǎn)生褶皺變形，這種拉壓受カ狀態(tài)極易在橡膠表面形成微裂紋并迅速擴(kuò)展，最終表現(xiàn)為橡膠開裂失效，其局部應(yīng)變分布見圖7。③利用橡膠材料應(yīng)變-壽命(ε -N)曲線計(jì)算熱點(diǎn)區(qū)域載荷壽命，并根據(jù)線性疲勞累積損傷理論評(píng)估懸置結(jié)構(gòu)整體疲勞壽命。本步驟中采用橡膠啞鈴試片，進(jìn)行不同平均應(yīng)變和不同應(yīng)變幅值的疲勞拉伸試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果并歸納其壽命與平均應(yīng)變和應(yīng)變幅值的關(guān)系，將平均應(yīng)變和應(yīng)變幅值組成的矩陣等效為最大主應(yīng)變，從而獲得橡膠材料的應(yīng)變-壽命(ε-Ν)曲線。根據(jù)步驟②中得到的圖6和圖7，從圖上讀取選定的疲勞熱點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)最大主應(yīng)變的極值，即損傷參數(shù)，根據(jù)橡膠材料應(yīng)變-壽命(ε-Ν)曲線計(jì)算出各熱點(diǎn)區(qū)域應(yīng)變對(duì)應(yīng)的疲勞壽命，其中N= K *( ε )0，本公式中N為載荷循環(huán)次數(shù),即疲勞壽命，ε為熱點(diǎn)處損傷參數(shù)，取K = 23399，取β =-3. 9986，如表I所示。表I后懸置熱點(diǎn)區(qū)域疲勞壽命
權(quán)利要求
1.一種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，其特征在于包括下列步驟 ①按類型定義橡膠減振件的臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)要求，確定結(jié)構(gòu)局部疲勞失效熱點(diǎn)區(qū)域； ②選取試驗(yàn)載荷作為疲勞設(shè)計(jì)載荷，采用有限元法計(jì)算初始結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布； ③讀取熱點(diǎn)區(qū)域的最大主應(yīng)變，利用橡膠材料應(yīng)變-壽命(e-N)曲線計(jì)算熱點(diǎn)區(qū)域載荷壽命，井根據(jù)線性疲勞累積損傷理論評(píng)估懸置結(jié)構(gòu)整體疲勞壽命； ④與疲勞耐久試驗(yàn)要求的壽命值進(jìn)行比較，評(píng)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性并進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞優(yōu)化。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，其特征是所述的步驟②中選取Mooney-Rivlin模型作為懸置有限元計(jì)算的材料輸入。
3.如權(quán)利要求I所述的ー種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，其特征是所述的步驟②中采用的有限元法包括如下步驟 (1)利用Hypermesh軟件對(duì)橡膠減振件進(jìn)行網(wǎng)格劃分； (2)利用ABAQUS軟件建立分析模型； (3)將步驟①中定義的試驗(yàn)要求所得到的疲勞載荷輸入到ABAQUS軟件中，計(jì)算得到應(yīng)變分布。
4.如權(quán)利要求I所述的ー種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，其特征是所述的步驟③中采用橡膠啞鈴試片，進(jìn)行不同平均應(yīng)變和不同應(yīng)變幅值的疲勞拉伸試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果并歸納其壽命與平均應(yīng)變和應(yīng)變幅值的關(guān)系，將平均應(yīng)變和應(yīng)變幅值組成的矩陣等效為最大主應(yīng)變,從而獲得所述的橡膠材料的應(yīng)變-壽命(e-N)曲線。
5.如權(quán)利要求I所述的ー種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，其特征是所述的步驟③中N=k* ( e ) 0,其中N為載荷循環(huán)次數(shù),即疲勞壽命，e為熱點(diǎn)處損傷參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種車用橡膠減振件疲勞性能預(yù)測(cè)方法，特點(diǎn)是包括如下步驟按類型定義橡膠減振件的臺(tái)架疲勞耐久試驗(yàn)要求，確定結(jié)構(gòu)局部疲勞失效熱點(diǎn)區(qū)域；選取試驗(yàn)載荷作為疲勞設(shè)計(jì)載荷，采用有限元法計(jì)算初始結(jié)構(gòu)的應(yīng)變分布；利用橡膠材料應(yīng)變-壽命(ε-N)曲線計(jì)算熱點(diǎn)區(qū)域載荷壽命，并根據(jù)線性疲勞累積損傷理論評(píng)估懸置結(jié)構(gòu)整體疲勞壽命；與疲勞耐久試驗(yàn)要求的壽命值進(jìn)行比較，評(píng)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性并進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞優(yōu)化。優(yōu)點(diǎn)在于此方法試驗(yàn)周期短、成本低廉，可在項(xiàng)目開展前期預(yù)測(cè)疲勞載荷損傷分布和零件壽命，評(píng)判結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，從而對(duì)減震件進(jìn)行疲勞設(shè)計(jì)的優(yōu)化。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102855348SQ20121026901
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者段小成, 劉麗麗, 葉必軍 申請(qǐng)人:寧波拓普集團(tuán)股份有限公司