随机振动激励下汽车副车架用橡胶衬套的力学特性分析

论文摘要

近年来，橡胶衬套或橡胶支座作为减震元件被广泛的应用于汽车底盘中，主要集中在发动机、变速器、传动轴与车架或车身的连接处，以及悬架系统中。主要作用是衰减发动机、传动系及路面传递到车身的振动，可以在很大程度上改善车辆的NVH性能。因此，研究橡胶元件的力学特性及疲劳特性具有非常重要的意义。由于橡胶材料的几何和材料双重非线性使得橡胶产品的常规设计非常困难,对橡胶力学特性及疲劳寿命的研究长期以来一直停留在实验验证的阶段。近些年随着有限元技术的发展,人们可以利用大型有限元分析软件来对橡胶产品进行非线性有限元分析,大大缩短了设计周期,提高了产品的设计精度和可靠性。首先，对橡胶衬套的三维实体模型利用HyperMesh软件进行映射网格划分，建立橡胶衬套的有限元模型，然后在ABAQUS软件有限元仿真环境下通过适当的材料、单元、接触等特性选取，再设置特定的边界条件，对橡胶衬套进行有限元分析。计算得出在特定载荷下橡胶衬套应力最大值的位置，并与实验中出现裂纹破坏的零件进行比较，确定橡胶衬套非线性有限元分析的可靠性。其次，完成了橡胶衬套的疲劳试验，动静刚度测定试验，阻尼测定试验等，试验结果验证了有限元分析的正确性。第三，简单介绍了橡胶衬套结构优化的基本思路和流程，并用HEEDS软件具体完成了该橡胶衬套结构参数的优化设计（主要针对小位移段的刚度要求），实现了对橡胶衬套结构参数优化流程的自动控制。优化结果完全可以作为橡胶衬套的改进方案，进行深入的设计研究。最后，根据橡胶衬套的最大应力要求，及衬套的静刚度要求，利用OptiStruct软件对橡胶衬套进行拓扑优化设计，拓扑优化的结果为橡胶衬套的结构改进设计提供了设计思路。本文在完成橡胶衬套的疲劳试验、动静刚度测试试验及阻尼试验的基础上，基于橡胶的超弹性模型，完成了橡胶衬套的非线性有限元分析，并与实验结果进行对比，研究表明有限元分析中所得到的静刚度曲线与试验测定的静刚度曲线基本一致，有限元分析中模型的应力最大处正是疲劳试验中发生裂纹破坏的零件的裂纹起始位置。从而说明对橡胶衬套的非线性有限元分析在橡胶衬套的设计中具有很高的实用性。本文对橡胶衬套的参数化优化结果及拓扑优化结果为该衬套的改进设计提供了可行的设计方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 橡胶元件疲劳特性的研究现状
• 1.2.1 橡胶元件疲劳破坏机理的研究
• 1.2.2 橡胶元件疲劳寿命影响因素的研究
• 1.3 关于汽车用橡胶衬套的研究现状
• 1.3.1 利用有限元方法对橡胶衬套力学特性的研究
• 1.3.2 橡胶衬套结构参数优化的研究
• 1.4 课题来源及研究意义
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 本文的主要研究工作
• 第二章 橡胶衬套总成有限元模型的建立
• 2.1 有限单元法概述
• 2.1.1 有限单元法的基本原理
• 2.1.2 有限单元法分析过程简述
• 2.1.3 有限单元法的基本分析步骤
• 2.2 ABAQUS软件概况
• 2.2.1 ABAQUS软件简介
• 2.2.2 ABAQUS软件的分析步骤
• 2.3 橡胶的各种超弹性本构关系模型
• 2.3.1 超弹性模型本构关系基本理论[33]
• 2.3.2 多项式形式及其特殊形式的橡胶超弹性本构模型
• 2.3.3 Ogden形式的橡胶超弹性本构模型
• 2.3.4 Arrude-Boyce形式的橡胶超弹性本构模型
• 2.4 橡胶衬套有限元模型的建立
• 2.4.1 橡胶衬套总成的实物图
• 2.4.2 HyperMesh软件简介
• 2.4.3 橡胶衬套三维网格模型的建立
• 2.4.4 橡胶衬套有限元模型的建立
• 2.5 本章小结
• 第三章 橡胶衬套的非线性有限元分析及实验研究
• 3.1 静载荷作用下橡胶衬套的非线性有限元分析
• 3.1.1 X轴方向静载荷作用下橡胶衬套模型的求解
• 3.1.2 Z轴方向静载荷作用下橡胶衬套模型的求解
• 3.2 橡胶衬套的疲劳试验研究
• 3.2.1 橡胶衬套疲劳试验的试验条件
• 3.2.2 疲劳试验结果及分析
• 3.3 橡胶衬套刚度的试验研究
• 3.3.1 橡胶衬套X轴方向静刚度试验研究
• 3.3.2 橡胶衬套Z向静刚度试验研究
• 3.3.3 橡胶衬套X向动刚度试验研究
• 3.3.4 橡胶衬套X方向动态阻尼的试验研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 橡胶衬套结构参数优化流程自动化实现方法的研究
• 4.1 橡胶衬套结构参数优化设计的整体流程介绍
• 4.1.1 优化流程简介
• 4.1.2 软件实现的流程
• 4.2 HEEDS软件及优化流程介绍
• 4.2.1 HEEDS软件简介
• 4.2.2 HEEDS软件优化流程介绍
• 4.3 基于HEEDS软件的结构参数优化流程自动化的实现
• 4.3.1 优化问题简介
• 4.3.2 模型的简化及CAD参数化优化模型的建立
• 4.3.3 设计变量及优化目标的确定
• 4.3.4 HEEDS软件参数化优化流程的建立
• 4.3.5 优化结果
• 4.3.6 优化前后最大应力的对比
• 4.4 本章小结
• 第五章 橡胶衬套结构的拓扑优化设计
• 5.1 拓扑优化概述及HyperWorks简介
• 5.1.1 拓扑优化概述
• 5.1.2 HyperWorks及OptiStruct简介
• 5.2 在橡胶衬套原有结构基础上的拓扑优化设计
• 5.2.1 拓扑优化的优化目标
• 5.2.2 拓扑优化的约束条件
• 5.2.3 类似原结构拓扑优化的结果
• 5.3 改变橡胶衬套本来结构的拓扑优化设计
• 5.3.1 根据橡胶衬套的外形尺寸建立全新的有限元模型
• 5.3.2 拓扑优化的优化目标
• 5.3.3 拓扑优化的约束条件
• 5.3.4 改变原结构拓扑优化的结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要内容及结论
• 6.2 课题研究中存在的问题及展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢