摘要 ：本文首先選取了幾種常見結構襯套作為研究對象， 并采用合適的橡膠超彈性本構模型在ABAQUS 軟件中計算其三向 靜剛度；然后采用同一種膠料分別硫化四種襯套并在 MTS833 彈性體測試平臺上測試得其力-位移曲線；最終將襯套的靜剛度計算 值與測試值進行對比研究，結果表明在 ABAQUS 中可對橡膠靜態性能進行較為準確的模擬，具有較高的工程價值。

關鍵字 ：橡膠襯套、有限元分析、測試、ABAQUS

1 概述

橡膠減振器被廣泛地應用于汽車減振系統，如動力總成懸置、底盤襯套和排氣管吊耳等。在這些系統中，橡膠減振器的線性靜態性能主要為滿足系統的減振性能要求，橡膠減振器的非線性靜態性能則為滿足系統的位移控制要求。因此，為了滿足系統的減振性能和位移控制要求，須對零件的結構和橡膠配方進行設計和優化。所以在設計初期，如何利用數值計算技術來準確地預測零件的靜態性能，就變得極為重要。對零件的靜態特性進行預測涉及諸多方面,如材料本構模型的選擇、材料模型參數的獲得、計算方法的選擇等，需要根據企業實際情況建立橡膠減振件的計算規范，以期獲得一致而精確的結果。為獲得準確的結果，進行計算與測試的相關性分析就顯得尤為重要。本文通過選取具有代表性的典型襯套結構，進行靜態性能的計算與測試，以期驗證計算的精確度。

在此相關性研究中，選取了具有代表性的橡膠減振件零件即橡膠襯套作為研究對象，選用天然橡膠N50 作為硫化原材料來制作樣件，采用MTS833 三軸向試驗臺測試獲得其三向準靜態性能曲線，使用ABAQUS 軟件計算了樣件的靜態剛度，用統計的方法對比了測試與計算的相關性。

2 橡膠襯套結構與靜態性能測試

2.1 典型橡膠襯套結構

根據工程應用經驗，篩選了最為常用的四個襯套結構作為研究對象，如圖1所示。

襯套A 為橡膠襯套減振件中最基本的結構形式，左右主簧呈60～150 度夾角，使襯套在Z 向運動時主簧主要受拉壓載荷，并通過合適地安裝使襯套在常用載荷時受壓，以提高結構疲勞性能。襯套B 對橡膠主簧進行了變形處理，設計成斜十字交叉共四根主簧。襯套C 修改了襯套芯子的結構，適合于單側芯子連接，經常作為支撐減振器結構。襯套D 考慮了左右主簧夾角中一定厚度橡膠銜接的狀態，主要為實現三向剛度比例的同時獲得較好的疲 勞性能。

為便于說明和數據統計，這里對襯套的參考坐標系做統一規定，X 向為側向，Y 向為芯子軸向，Z 向為襯套主方向，如圖2 所示。

2.2 橡膠襯套樣件與靜態性能測試

為獲得具統計意義的數據，對零件靜態性能測試方法做了統一要求。測試設備為MTS 833 三軸向試驗臺，可利用同一套工裝測試襯套三向靜剛度曲線，如圖3 所示。

為保持測試數據的可靠性與一致性，在橡膠襯套樣件制作與測試過程中進行如下定義：

1、為了避免橡膠配方不同導致的性能差異，零件制作時均使用天然橡膠N50；

2、為保證分析模型與實際樣件幾何參數一致，不對零件進行縮徑處理，且在無預載狀態下進行剛度測試；

3、定義測試載荷范圍， X 向加載力的范圍為-1000N 至1000N，Y 向加載力的范圍為-500N 至500N，Z 向加載力的范圍為-3500N 至3500N；

4、為降低橡膠材料粘彈性對橡膠靜態性能測試的影響，定義加載控制為速度控制，速度為0.15mm/s；

5、因主要關注襯套線性靜態性能，定義零件線性剛度取值范圍為在自由狀態下-150N -150N；

6、基于統計原則，每個襯套結構均采集了三個樣本的測試數據。

3 襯套靜態性能計算

考慮到ABAQUS 軟件擁有豐富的材料本構模型，較強的非線性分析能力，以及強大的接觸算法，因此選擇ABAQUS 作為橡膠襯套靜態性能計算工具。橡膠材料的超彈性本構模型選用Mooney-Rivlin 模型。對于天然橡膠N50，其參數為C10=0.2897，C01=0.0599。由于橡膠是一種近似不可壓縮材料，在隱式解法中橡膠單元類型通常選用C3D8RH 和C3D8H，而C3D8H 有更佳變形能力，適合于計算大變形或接觸分析。這里網格類型采用C3D8RH（一階六面體減縮雜交單元）。襯套線性靜剛度是由主簧結構和橡膠類型決定的，因此在建模過程中僅對襯套主簧進行網格劃分?？紤]到襯套內外管均為金屬結構，如鋁合金、20#鋼等，剛度遠高于橡膠主簧，因此在建模過程中均剛性處理。內管與橡膠主簧硫化結合處，用剛性單元將襯套彈性中心與之關聯，作為激勵加載端。外管與橡膠主簧硫化結合處，建立6自由度的約束。四種襯套結構的有限元網格模型如圖4 所示。

4 襯套測試與有限元分析結果對比

根據零件實測數據和計算數據，統計兩者的相對誤差。四種襯套結構的力位移曲線的測試數據與計算數據分別見圖5、圖6、圖7 和圖8。

根據數據對比發現，同一零件的各樣本的測試數據差異很小，所以剛度測試值最終取三個樣本的均值。下表 統計了襯套三向剛度的測試值與計算值。

襯套A 的X、Z 向測試值比計算值低5%左右，Y 向持平，計算擬合效果良好。

襯套B 三向剛度的測試值均比計算值高約13%，主要原因是該襯套采用模壓較高的注橡模制作產品，產品硬度高造成了剛度上升，但三向剛度比的吻合程度非常好。

襯套C 的Y、Z 向測試值比計算值高8%，但三向剛度比仍控制在6%之內。

襯套D 也存在測試值明顯高于計算值的情況，但三向剛度比仍控制在6%之內。

根據統計結果可發現，襯套結構三向剛度比例的計算測試相對誤差可控制在6%之內，說明在結構設計階段，通過有限元計算的方式可以較準確地控制結構靜態性能，避免樣件試制過程的盲目性。同時，三向剛度的測試值由于零件的硫化時間和模壓等會導致較大的變化，與計算值的相對誤差可控制在15%左右。根據橡膠硬度與彈性幾近正比的關系，可控制膠料硬度的偏差在3 度左右?？苫谀z料硬度對產品的工藝性與耐久性的影響，適當調整產品的結構設計方案。

5 結論

基于對典型橡膠襯套的靜態性能的計算和測試對比，可得出如下結論：

1、襯套式橡膠減振件的靜態性能可通過計算獲得比較準確的預測，其中三向剛度比的計算測試相對誤差可控制在6%之內，三向剛度值的計算測試相對誤差可控制在15%，便于在設計階段對零件結構做修正；

2、膠料類型、硫化方式、硫化時間等工藝因素會對橡膠減振件的靜態剛度性能產生明顯影響，但三向剛度比例主要由結構決定；

3、本研究的后續工作可從選取不同的橡膠本構模型，選取不同結構類型的橡膠減振件的角度進行深入研究。

作者：葉必軍 段小成 嚴妮娜 潘孝勇

作者單位：（寧波拓普聲學振動技術有限公司，寧波，315806）

文章來源：汽車NVH云講堂