橡膠襯套的案例
橡膠襯套疲勞仿真技術
橡膠襯套是一種具有良好彈性的工程材料，能承受大應變而不會發生永久性的變形和斷裂。汽車行業中，橡膠材料被廣泛應用在各種減震降噪裝置中。在橡膠產品開發中，耐久性能是重點關注的性能，因為橡膠襯套疲勞失效，會大大影響整車的操穩性能和舒適性能，甚至影響正常的安全性能，從而導致事故發生。
目前，國內橡膠產品的設計開發主要依托試驗進行驗證，導致產品的設計周期長，開發費用高。如果在項目開發的早期，通過虛擬仿真分析的方法，就可以有效地預測橡膠襯套的耐久性能，并且節省大量費用，縮短開發周期。
1、橡膠襯套CAE網格模型的建立
考慮到橡膠的大變形，需要采用六面體網格單元進行仿真計算，才能得到正確的結果。但是，如果模型結構復雜，六面體建模往往難度很大。橡膠襯套需要考慮整車NVH性能，各個方向上的剛度要求不一樣，因此結構設計的較為復雜，使得六面體網格建模非常困難。針對不同的橡膠襯套，我們制定了各種不同的襯套建模方法。
展開 基于ABAQUS超彈性材料橡膠襯套的剛度計算 附基于Abaqus的橡膠和粘彈性建模下載
圖5、相互作用設置和網格屬性設置
圖6、作業提交的相關設置
八、結果的可視化處理
計算完成后，可以通過ABAQUS軟件自帶的可視化模塊查看橡膠襯套的各類云圖計算結果：
1、位移加載云圖：對于本實例的仿真中，可以通過查看位移加載云圖得到橡膠在加載過程中形狀的變化，并可以直接讀出我們的位移加載。
圖7、位移加載云圖
2、應變云圖：通過調整輸出的場變量，我們還可以查看在加載過程中橡膠襯套對數應變的數值，并對其疲勞壽命做出相應的預測。
圖8、應變云圖
3、剛度曲線：借助ABAQUS軟件的歷程輸出數據，我們可以做出整個加載過程中的位移與作用力的關系曲線，即得到了該硬度下，此橡膠襯套的靜剛度曲線。
圖9、橡膠襯套的靜剛度仿真曲線
如果將我們的載荷換成如圖10的正弦加載曲線，我們還可以得到該硬度下，固定頻率的動剛度的遲滯曲線，進而得出其動剛度。
圖10、動態加載曲線、結果可視化云圖與遲滯曲線
下載地址：基于Abaqus的橡膠和粘彈性建模
展開 ABAQUS橡膠襯套靜態特性計算測試相關性分析
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。
展開 【達索官方直播】基于結構/疲勞/優化的協同仿真技術在線研討會-橡膠襯套實例
直播簡介
SIMULIA橡膠襯套聯合仿真解決方案
橡膠襯套具有良好的彈性，能承受大應變而不發生永久性變形和斷裂
為了滿足車輛減振降噪的需求，汽車懸架系統大量采用橡膠襯套產品
懸架系統的精確設計需要匹配橡膠襯套的各項性能指標參數
達索SIMULIA POP是橡膠襯套產品設計過程中最有效的結構設計、分析以及優化的工具
產品設計初期可利用Tosca快速找到結構設計方案
產品驗證階段可利用Abaqus、fe-safe驗證產品的結構合理性，如各向剛度以及疲勞壽命
產品優化階段可利用Abaqus + Tosca + fe-safe + Isight對產品各向性能指標進一步優化，使產品性能達到最優
橡膠襯套是一種具有良好彈性的工程材料，能承受大應變而不會發生永久性的變形和斷裂。交通運輸行業中，懸架系統大量采用橡膠襯套等柔性連接來滿足車輛減振降噪的需求，但懸架的精確設計需要匹配橡膠襯套的各項性能參數。橡膠襯套產品設計過程中，強大的SIMULIA協同仿真解決方案是最有效的結構設計、分析、優化工具：
產品設計初期可利用Tosca快速找到結構設計方案；
產品驗證階段可利用Abaqus、fe-safe驗證產品的結構合理性，如各向剛度以及疲勞壽命；
產品優化階段可利用Abaqus + Tosca + fe-safe + Isight對產品各向性能指標進一步優化，使產品性能達到最優
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展開 
基于ABAQUS二次開發的橡膠-金屬襯套仿真技術研究
摘 要：基于ABAQUS-Python提出了一種橡膠-金屬襯套快速仿真技術。該技術將典型橡膠-金屬襯套結構參數化，并通過開發的獨立圖形用戶界面和ABAQUS腳本程序，實現自動前處理、仿真計算和后處理；讀取仿真結果文件中力、扭矩、位移和角度值，采用最小二乘法計算出多向靜剛度值，導出應力、應變等云圖；對比仿真與實測結果，誤差在10%以內，滿足工程化應用要求。此外，該方法進行一次仿真分析約需8～15 min,極大地提高了分析效率。
關鍵詞：參數化;橡膠-金屬襯套;仿真技術;
隨著汽車工業的迅速發展，越來越多的人們重視整車舒適性和操穩性。作為一種阻尼材料，橡膠具有良好的彈性特性和能量吸收能力，因此被廣泛應用于汽車減振領域，如底盤襯套、動力總成懸置和其他橡膠制品等。
底盤襯套類橡膠減振制品由芯軸、外套和橡膠組成，通過橡膠硫化過程，實現3者連接。常規橡膠襯套可通過調節各組件結構、尺寸和橡膠硬度，實現在x、y、z軸平移和偏轉的性能要求。由于車型和車輛系統各部位的差異很大，對橡膠減振制品的性能要求也不同，因此需根據不同的性能要求選擇合適的結構、尺寸和橡膠材料，并進行優化設計。
在設計橡膠襯套類制品時，常采用試驗法和數值模擬分析法來確定相關參數。數值模擬分析法因具有直觀、快速、成本低等優點而被廣泛應用，但數值模擬分析法中的建模、前處理和后處理等過程繁瑣，費時費力。因此，研究參數化建模、自動前處理和后處理的方法，對橡膠襯套類制品的快速開發和優化有顯著的實際工程意義。
為了提高橡膠-金屬件數值模擬分析的效率，劉志國等[1]通過模型重建與專家分析經驗封裝構建軌道車輛金屬橡膠件有限元模型參數化建模方法，實現了金屬橡膠件分析模型的參數化與仿真分析自動化。
展開 汽車懸架橡膠襯套靜剛度設計方法
摘要:基于剛度疊加法的原理、非線性有限元分析及優化理論，提出了懸架襯套3 個方向靜剛度的設計方法。以某乘用車懸架橡膠襯套的三向靜剛度設計為例論述了該方法的有效性。該方法對懸架襯套三向靜剛度的設計具有指導意義。
關鍵詞
:橡膠襯套;三向靜剛度;剛度疊加;有限元分析;優化設計
汽車懸架橡膠襯套為懸架系統中重要的彈性元件，三向靜剛度是襯套的重要性能參數，該參數對汽車的操縱穩定性和平順性具有較大影響［1］。
在計算懸架襯套的三向靜剛度時，目前大都采用試湊的方法，或者利用工程中的一些簡單計算公式進行計算［2 － 4］。根據某乘用車懸架系統橡膠襯套的三向靜剛度設計要求，基于剛度疊加法、非線性有限元分析和優化理論，文中提出了懸架襯套3 個方向靜剛度的設計計算方法。首先對襯套進行參數化，利用ABAQUS 軟件計算襯套的三向靜剛度與一系列襯套參數的關系; 然后進行數據擬合，得到襯套的三向靜剛度與襯套參數的關系; 最后通過優化計算，得出滿足襯套三向靜剛度要求的襯套參數。給出了一個計算分析實例，說明了文中論述方法的有效性，該方法可以提高懸架襯套三向靜剛度的設計效率。
1 襯套的參數化和參數的確定
圖1 為要求設計的橡膠襯套安裝圖。橡膠體的內外表面分別與鑄鋁內管、尼龍外管硫化。其中高度H、內徑d 和外徑D 是橡膠體的主要尺寸。襯套三向靜剛度的要求見表1。
由于該懸架襯套2 個徑向剛度( Kx，Ky ) 的要求值不一樣，為此把襯套在xy 平面內的橡膠體設計成如圖2 所示的十字架形狀。襯套的橡膠體用2 個寬度參數b1，b2 進行離散化。
展開 告別簡化載荷塊：通用汽車如何用真實全路譜，實現橡膠襯套壽命的精準預測？
在汽車底盤橡膠襯套的耐久性開發中，工程師長期面臨一個核心矛盾：
臺架試驗或仿真分析中使用的簡化載荷塊（Block Cycle），能否真正復現車輛在復雜路況下承受的真實多軸載荷？
傳統的簡化方法依賴經驗判斷，不僅可能遺漏關鍵損傷載荷段，更無法精確復現真實的失效模式，尤其是考慮到橡膠材料的非線性力學性能和非線性損傷累積特性，采用基于傳統經驗方法得到的簡化路譜載荷預測橡膠襯套的疲勞壽命，可能和實測結果有巨大差異。隨著計算能力的提升，直接采用全時程、多通道的真實路譜數據進行仿真，已成為可能且必要的前沿方向。
SLA 型襯套在 FY 載荷最大（頂部）與最小（底部）工況下的最大主應變（NE – P1）云圖。直接仿真結果（左）與通過 Endurica EIE 插值所得結果（右）高度吻合。
基于全細節路譜的汽車底盤橡膠部件耐久性仿真工作流，其可行性與巨大價值已獲得工業級驗證。Endurica 與通用汽車（GM）、Tenneco 的工程師在SAE International Journal上聯合發表的成果，系統展示了這一先進方法的可靠性。
乘坐舒適型襯套在 FY 載荷最大（頂部）與最小（底部）工況下的最大主應變（NE – P1）云圖。直接仿真結果（左）與通過 Endurica EIE 插值所得結果（右）高度吻合。
研究核心：
當路譜數據不再“被簡化”
01
PART
本研究聚焦于兩款填充天然橡膠副車架襯套。研究人員沒有將其承受的載荷簡化為幾個代表性的循環，而是直接采用了在11種不同典型駕駛工況下（如不同路面、操控動作），通過六分力傳感器在原型車上實測得到的多通道（X, Y, Z方向力與力矩）全時程路譜數據。
展開 工作隨想：在中國汽車行業高速發展環境下，二次粘接穩定桿襯套技術的應用將成為必然趨勢。
桿身的中部通過橡膠襯套與車身或車架鉸接相連，兩端通過側壁端部的橡膠墊或球頭銷與懸架導向臂連接。
作用：
穩定桿襯套主要通過卡箍固定在車架上，功能上必須具備支撐、定位、緩沖、吸振以及降噪的特性；
就橡膠制品而言，還應具備耐磨性、回彈性好，壓縮永久變形小、耐臭氧、耐老化、耐低溫等特點。
同時穩定桿襯套的剛度對于整車的操控性和乘坐舒適性也起著重要作用。
穩定桿襯套類型：
純膠穩定桿襯套（滑動）：
主要利用穩定桿與橡膠襯套間的相對滑動原理，須采用自潤滑橡膠
優點：
結構簡單、成本低、生產效率高。
弊端：
1、產品剛度低，整車操穩性較差
2、一般產品硬度高，在冬季或過泥濘路面時較大概率出現異響現象，難以杜絕。
特氟龍穩定桿襯套：
同樣是利用穩定桿與橡膠襯套間的相對滑動原理，增加特氟龍織布降低摩擦系數。
優點：
增加特氟龍后，新車階段能明顯減少和消除異響問題。
弊端：
1、特氟龍工藝復雜、成本高
2、通過近年來各車型市場表現，使用兩年后異響爆發率會明顯增加，無法永久杜絕異響。
抱緊穩定桿襯套（夾持）：
為滿足調校需要，襯套設計增加骨架（or底座）起支撐作用、加大內孔和外形裝配過盈量；將橡膠襯套與穩定桿抱緊，在一定角度范圍內橡膠運動起主要作用。
優點：
一般剛度較大，可有效降低滑動異響問題，有利于整車性能調校。
弊端：
1、對襯套要求高，在大角度條件會加劇橡膠磨損、失效快；
2、總裝時裝配難度大；
3、根據市場表現，使用一定時間后由于橡膠磨損會出現異響。
展開 后懸架的設計步驟
連桿越多意味著橡膠襯套應用的也越多，過多的使用橡膠襯套意味著需要冒更多的可能出現的問題。兩連桿獨立懸架外傾角能夠通過橫向拉桿的幾何運動來控制。
三連桿的車輪外傾和前束的控制可以分別通過各自的調節桿完成。因此三連桿的獨立懸架調節車輪外傾和前束對拖曳臂橡膠襯套的變形影響要小。
后懸架各控制點的安裝位置
在布置之出首先要明確哪些懸架的控制硬點連接在車身上，哪些點懸架的控制硬點連接在副車架上。將這些點布置在副車架上會花費更多的成本和增加整車的重量，但是能提高對前束和車輪外傾的控制精度，提高過濾震動噪音的能力。對于一款中級轎車而言通常都將控制外傾和前束連桿上的設計硬點和主橫向擺臂的設計硬點布置在副車架上。
通常來說對點1（拖曳臂與車身連接點）和16（車輪中心）設定按以下幾點來做布置：制動點頭和加速抬頭的關系；整車尺寸和白車身的幾何約束；是否需要做后輪驅動的保護。為了控制整車的制動點頭和加速抬頭現象，通常點1的z軸坐標要高于點16（輪心）的z軸坐標。
定義后懸架主銷
如圖所示，后主銷軸是黃色和藍色平面的交線。黃色平面是拖曳臂襯套的正交面，藍色的平面是車輪外傾角控制臂軸線和主橫向擺臂產生的平面，通常二者是平行的。由于橡膠襯套的彈性變形，這樣確定的只是初步的主銷。其余的關系與前懸架的一致。
定義橫向擺臂的長度和方向
在滿足布置的幾何約束的前提下，主橫向擺臂越長越好（越長對襯套的壽命越小）；俯視方向上盡量與后軸平行（搞不明白），在保護四驅時與后軸的夾角越小越好（搞不明白）。同時保證后懸架的側傾中心高在80～150mm的范圍內。對于車輪外傾控制臂和前束調節桿的布置，在滿足布置的條件下長度和方向主要跟據懸架的運動學關系來決定。
展開 襯套結構設計中，骨架位置對襯套剛度的影響（1） ￥12
前言----付費試水
在橡膠襯套設計中，由于純膠件剛度小，有時單靠提升橡膠硬度無法滿足剛度要求，在這種情況下就需要加入骨架來提升襯套徑向剛度，由于空間限制，骨架厚度有一定的限制，這時候就要考慮怎么合理設計骨架的位置，才能最保證襯套剛度的最大化。
有些物理學的好的童鞋可能會說這還用算嗎，把橡膠厚度看作兩個串聯彈簧，總剛度K=K1*K2/（K1+K2），當K1=K2時，也就骨架在中間位置，剛度最大，對于橡膠襯套而言真的是這樣嗎？下面來驗證下。
懸置抗扭拉桿設計
在懸置系統中，抗扭拉桿一端與動力總成相連，另一端與車身或者副車架相連，抗扭拉桿兩端均有橡膠襯套或者液壓襯套。汽車動力總成后拉桿懸置襯套是將動力總成與后車架連接的關鍵部件之一。其作用一方面是車輛在多種行駛工況下傳遞作用在動力總成上的力和力矩;另一方面，懸置橡膠襯套可以減少動力總成對車輛的沖擊，其襯套結構及剛度值對車輛N V H特性影響較大。實際NVH測試表明，抗扭拉桿+大端襯套+小端襯套系統的彈性剛體模態有時會對NVH性能產生較大影響，如果小端襯套剛度較低，系統的剛體模態也較低，振動響應的幅值會變大，NVH問題會更為突出。以下PPT是我在2017汽車NVH控制技術國際研討會的發言稿。給大家詳細講解了懸置抗扭拉桿設計需要注意的問題。
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展開 
設計仿真 | 基于開裂能量密度方法的橡膠件疲勞壽命分析
橡膠體疲勞案例介紹
以橡膠件，襯套為例，首先在現有的橡膠材料模型參數的參數基礎上，需增加用于彈性體疲勞計算的參數，如下圖所示：
其中，系數Wmax、rc、N、c0、分別為臨界撕裂能量，最大裂紋擴展速率，指數系數，初始微裂紋尺寸。模型計算時不考慮載荷比值的修正。其次，定義橡膠襯套的載荷計算工況。在該案例中，我們先約束襯套的中心和對稱面，同時定義襯套的邊緣沿徑向和軸向同時加載1mm的正弦振動。載荷加載形式為正弦波，在一個正則時間步內完成。
同時在結果輸出中，需要將柯西應力張量和應變梯度進行輸出，以用于后續的疲勞壽命計算。計算結果如下圖所示。可以看到，最大對數主應變發生在橡膠襯套和套筒的接觸位置已經在襯套邊緣特征位置。
在此基礎上，新增一個用于疲勞計算的分析任務，用于疲勞壽命計算。其計算設定參數如下圖所示。其中，載荷類型采用變幅載荷，并選定前一步計算好的結果文件。定義好壽命計算的增量步范疇，該分析取第一步到最后一步的應變進行疲勞壽命計算。
疲勞計算結果如下圖所示，可以看到其損傷最大的位置在橡膠特征倒角處，最小對數壽命為2.7。這與前面計算的最大等效柯西應力位置對應。同時，還可以預測出橡膠裂紋開裂面，如下圖所示。其中紅色箭頭所指的方向即為疲勞開裂平面的法向。
小 結
與基于馬林斯效應和基于應變壽命曲線的彈性體疲勞相比，基于開裂能量密度的方法，可以更加精確的進行橡膠件的疲勞壽命預測和開裂方向預測。
采用Marc軟件，可以很方便的在計算完強度的基礎上，進行橡膠件疲勞壽命的計算。從而幫助客戶快速預測橡膠件的疲勞壽命，提升產品開發效率。
展開 設計仿真 | 基于開裂能量密度方法的橡膠件疲勞壽命分析
橡膠體疲勞案例介紹
以橡膠件，襯套為例，首先在現有的橡膠材料模型參數的參數基礎上，需增加用于彈性體疲勞計算的參數，如下圖所示：
其中，系數Wmax、rc、N、c0、分別為臨界撕裂能量，最大裂紋擴展速率，指數系數，初始微裂紋尺寸。模型計算時不考慮載荷比值的修正。其次，定義橡膠襯套的載荷計算工況。在該案例中，我們先約束襯套的中心和對稱面，同時定義襯套的邊緣沿徑向和軸向同時加載1mm的正弦振動。載荷加載形式為正弦波，在一個正則時間步內完成。
同時在結果輸出中，需要將柯西應力張量和應變梯度進行輸出，以用于后續的疲勞壽命計算。計算結果如下圖所示。可以看到，最大對數主應變發生在橡膠襯套和套筒的接觸位置已經在襯套邊緣特征位置。
在此基礎上，新增一個用于疲勞計算的分析任務，用于疲勞壽命計算。其計算設定參數如下圖所示。其中，載荷類型采用變幅載荷，并選定前一步計算好的結果文件。定義好壽命計算的增量步范疇，該分析取第一步到最后一步的應變進行疲勞壽命計算。
疲勞計算結果如下圖所示，可以看到其損傷最大的位置在橡膠特征倒角處，最小對數壽命為2.7。這與前面計算的最大等效柯西應力位置對應。同時，還可以預測出橡膠裂紋開裂面，如下圖所示。其中紅色箭頭所指的方向即為疲勞開裂平面的法向。
小 結
與基于馬林斯效應和基于應變壽命曲線的彈性體疲勞相比，基于開裂能量密度的方法，可以更加精確的進行橡膠件的疲勞壽命預測和開裂方向預測。
采用Marc軟件，可以很方便的在計算完強度的基礎上，進行橡膠件疲勞壽命的計算。從而幫助客戶快速預測橡膠件的疲勞壽命，提升產品開發效率。
展開 Ansys AI技術助力Sumitomo Riko，將汽車零部件設計和制造仿真速度提升10倍以上
Sumitomo Riko是一家全球領先的高性能橡膠汽車零部件制造商。為了確保車輛行駛過程中的安全與平穩，工程師必須了解系統中各種零部件在極端載荷和應力源下的性能表現。這需要運行數百次多物理場仿真，其中，前處理任務，如定義模型的幾何參數，需要大量的時間和專業仿真知識。
為了加速產品開發，Sumitomo Riko正在使用SimAI，基于以往生成的數據，訓練高性能橡膠產品（如隔振器和軟管）的AI模型，并且該過程中無需對幾何結構進行參數化處理。這種方法提供的AI模型，能夠在5分鐘內進行性能預測，相比傳統流程，其可為每個新設計節省超過1小時的處理時間，而且準確性可與高保真度仿真相媲美。
在Ansys Mechanical中對橡膠襯套應變進行高保真度仿真（左），SimAI在5分鐘之內即可復現該仿真（右）
例如，初始測試顯示，SimAI在預測某些橡膠襯套的機械性能時，可將仿真周期加快10倍以上，而這些零部件在減少懸架系統內的沖擊和振動方面發揮著關鍵作用。這樣顯著的加速，可實現更快的設計迭代和更高效的工作流程。
Sumitomo Riko先進系統研發中心的分析和實驗部負責人Noritaka Matsuoka表示：“為了確保在聚合物和綜合評估技術領域始終處于創新的最前沿，我們正致力于在整個產品生命周期中實施工作流程自動化功能。其中，首要挑戰是在我們的產品開發周期中推動AI的應用。SimAI是開啟上述進程的理想平臺，其強大的功能可以消除將幾何結構參數化的需求，使多個團隊能夠更輕松地在同一個項目上開展協作。”
Sumitomo Riko還與Ansys合作，在產品設計、制造和退市管理流程中實施工作流程自動化功能。
展開 設計仿真 | Marc混合接觸介紹及應用案例
Marc混合接觸應用場景及案例介紹
Marc在橡膠、密封行業有著廣泛的應用。在橡膠件的仿真中，接觸分析是必然遇到的；在一些極限工況，由于橡膠的極限形變經常導致接觸會產生穿透，從而導致計算的無法完成。
涉及到如下分析情況的，可以嘗試采用混合接觸進算法行分析：
? 結構自生有復雜的自接觸
? 結構產生大滑移，大變形
? 接觸體使用了全局網格重構
以如下的橡膠襯套為例，其完全采用六面體網格進行建模，單元類型采用Hermmann單元。
首先對襯套進行過盈裝配安裝分析，然后在此基礎上增加一個側向極限剛度的分析工況（通過位移邊界條件施加）。
在計算過程中開啟點面接觸中的混合接觸算法，以便更好的建立襯套單元之間的自接觸，保證網格直接不發生穿透。計算結果如下圖所示：
可以看出，通過合理的建模和參數設置，可以比較容易的在Marc中進行襯套的極限剛度計算；且計算的結果是連續光順的，也更加容易與實驗進行對比。
通過使用混合接觸算法，我們可以更好的建立網格的接觸關系。可以看到，即使在橡膠襯套的邊緣，Marc也能夠很好的建立接觸關系，并在整個計算過程中接觸不發生穿透、失效等導致計算無法完成的現象。
小結
采用Marc的混合接觸算法，將更加容易進行接觸分析，保證接觸分析的收斂性。從而幫助客戶提升CAE仿真計算效率，提升分析的一次成功率。
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