網格類型對懸置減振元件有限元計算的影響研究

芒特老師

2019年5月16日 13:40

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懸置系統減振元件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，減振元件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，如何利用數值模擬技術來準確地預測零件的性能，就變得極為重要。目前對懸置元件的CAE仿真分析主要包括了靜態剛度計算,非線性剛度計算以及疲勞性能預測等內容。

對零件的特性進行仿真涉及諸多方面,網格劃分、本構模型的選擇、材料模型參數的獲得、計算方法的選擇等。本文將在其他參數都保持不變的情況下探討一下網格類型對計算結果的影響。本文所研究的懸置減振元件的UG模型見圖1。

圖1 分析所用懸置彈性元件UG模型

1、本構模型

橡膠材料具有幾何和材料雙重非線性，通常情況下體積是不可壓縮的并且橡膠材料的變形是一個非常復雜的過程，伴隨著大位移、大應變，且其力學行為對溫度、環境、應變歷史、加載速率十分敏感，這樣就使得描述橡膠的行為非常復雜，所以橡膠材料需定義橡膠的非線性本構模型。

描述橡膠的本構模型種類相當多，常用的多項式模型有Mooney-Rivlin模型，Neo-Hookean模型，Ogden模型以及Yeoh模型等。

本研究統一使用Mooney-Rivlin模型, 邵氏硬度50度的橡膠材料參數為C10=0.2969，C01=0.0584。

2、兩種網格類型的優缺點

2.1四面體網格

優點：對復雜的幾何模型適應性好，多用于自由網格劃分，可以快速生成網格；

缺點：同樣網格尺寸條件下，分析結果精度相對六面體要差一些，獲得同等精度需要采用高階單元，從而會導致更大的計算量；

圖2 劃分完成的四面體網格模型

2.2六面體網格

優點：六面體網格單元的計算精度明顯要高于四面體單元。其次，在實體離散過程中，采用相同大小的單元尺寸的情況下，六面體網格劃分的單元數量要比四面體網格劃分的單元數量少很多。較少的單元數量意味著有限元計算所需時間較少。

缺點：幾何模型簡化、切割以及清理需要花費較多的時間，生成網格時間較長；

圖3 劃分完成的六面體網格模型

3、線形剛度分析

從圖1可知，該懸置元件設計的線性段長度為4㎜，因此在分析時加載位移為3毫米，確保在變形的過程中力不發生突變，分析完成后得到兩種不同網格下受力情況見表1，按表一的數據進行擬合得到線性剛度如圖。從圖1中可知六面體網格計算得到的剛度值稍低。

表1 線性剛度分析對比

位移	力（四面體）	力（六面體）
0	0	0
0.3	51.44176483	48.85398865
0.6	103.8371124	98.50154877
0.9	157.2397919	148.9756622
1.2	211.7073212	200.3096771
1.5	267.3011475	252.5366821
1.8	324.0869141	305.6888428
2.1	382.1346436	359.7965393
2.4	441.5188904	414.8872681
2.7	502.3186951	470.9840088
3	564.6177979	528.1029663

圖4 線性剛度對比圖

4、非線性剛度分析

從圖1可知，該懸置元件設計的線性段長度為4㎜，因此在分析非線性剛度時加載位移設置為5毫米，此時變形過程中限位將接觸上，涉及到接觸分析的內容，受力會發生突變，分析完成后得到兩種不同網格下受力情況見表2，按表一的數據進行擬合得到線性剛度如圖3。從圖3中可知六面體網格計算得到的剛度值稍低。

表2 非線性剛度分析對比

位移	力（四面體）	力（六面體）
0	0	0
0.5	86.2628	81.8596
1	175.2744	165.9839
1.5	267.3011	252.5268
2	362.6407	341.6379
2.5	461.6241	433.4523
3	564.6178	528.0742
3.5	672.0225	625.55
4	801.2821	740.9503
4.5	984.3862	901.8196
5	1200.268	1083.198