橡胶衬套静态特性计算测试相关性分析(final)

统计了衬套三向刚度的测试值与计算值。
衬套 A 的 X、Z 向测试值比计算值低 5%左右，Y 向持平，计算拟合效果良好。
衬套 B 三向刚度的测试 值均比计算值高约 13%，主要原因是该衬套采用模压较高的注橡模制作产品，产品硬
度高造成了刚度上升，但三向刚度比的吻合程度非常好。
衬套 C 的 Y、Z 向测试值比计算值高 8%，但三向刚度比仍控制在 6%之内。
Z
X
2.2 橡胶衬套样件与静态性能测试
图 2 参考坐标系的定义
为获得具统计意义的数据，对零件静态性能测试方法做了统一要求。测试设备为 MTS 833 三轴向试验台， 可利用同一套工装测试衬套三向静刚度曲线，如图 3 所示。
图 3 MTS 833 三轴向试验台 为保持测试数据的可靠性与一致性，在橡胶衬套样件制作与测试过程中进行如下定义：
由于橡胶是一种近似不可压缩材料，在隐式解法中橡胶单元类型通常选用 C3D8RH 和 C3D8H，而 C3D8H 有 更佳变 形能力，适合于计算大变形或接触分析。 这里网格类型采用 C3D8RH（一阶六面体减缩杂交单元）。
衬套线性静刚度是由主簧结构和橡胶类型决定的，因此在建模过程中仅对衬套主簧进行网格划分。考虑到衬 套内外 管均为金属结构，如铝合金、20#钢等，刚度远高于橡胶主簧，因此在 建模过程中 均刚性处理 。内 管与橡胶 主簧硫化结合处，用刚性单元将衬套弹性中心与之关联，作为激励加载端。外管与橡胶主簧硫化结合处，建立 6 自由度的约束。四种衬套结构的有限元网格模型如
样本 1 247.3
68.87
105.4 2.3463 0.6534
样本 2 244.1
69.34
102.8 2.3745 0.6745
样本 3 245.6
测试状态 计算状态 测试/计算
245.67
217.44
12.98%
69.33
69.18
61.559
12.38%
104.2
2.357 0.6654
衬套 D 也存在测试值明显高于计算值的情况，但三向刚度比仍控制在 6%之内。
状态对比
样本 1
样本 2
样本 3
测试状态 计算状态 测试/计算
衬套 A
测试刚度
84
375.23
395.6
-5.15%
测试刚度 Y
测试刚度 Z
X/Z Y/Z
80.29
137.8 2.6321 0.5827
3 衬套静态性能计算
考虑到 ABAQUS 软件拥有丰富的材料本构模型，较强的非线性分析能力，以及强大的接触算法，因此选择 ABAQUS 作为橡胶衬套静态性能计算工具。橡胶材料的超弹性本构模型选用 Mooney-Rivlin 模型。对于天然橡胶 N50，其参数为 C10=0.2897，C01=0.0599。
主要由结构决定； 3、 本研究 的后续工作可从选取不同的橡胶本构模型，选取不同结构类型的橡胶减振 件的角度进 行深入研究。
参考文档
[1] 潘孝勇，柴国钟，上官文斌，叶必军. 橡胶减振件的静态特性计算方法研究[J]. 振动、测试与诊断, 2009 [2] 郑明军. 橡胶件的静、动态特性及有限元分析[D]. 北京：北方交通大学硕士学位论文，2002. [3] ABAQUS, Inc. ABAQUS Analysis User ’s Manual, 2006
Z
样本 1 194.9 53.62 141.8
样本 2 196.5 54.99 144
样本 3 195
测试状态 计算状态 测试/计算
195.47
178
9.81%
53.86
54.16
48.8
10.98%
142.3
142.7
122.2
16.78%
X/Z
1.3745
1.3646
1.3703
1.3698
1.4566
1、 为了避免橡胶配方不同导致的性能差异，零件制作时均使用天然橡胶 N50； 2、 为保证分析模型与实际样件几何参数一致，不对零件进行缩径处理，且在无预载状态下进行刚度测试； 3、 定义测 试载荷范围， X 向加载力的范围为 -1000N 至 1000N，Y 向加载力的范围为 -500N 至 500N，Z 向加
5 结论
基于对典型橡胶衬套的静态性能的计算和测试对比，可得出如下结论： 1、 衬套式 橡 胶减振 件的 静 态性能可 通过 计 算获 得 比较准 确 的预测 ，其 中 三向刚度 比的 计 算测试 相对 误差 可控制
在 6%之内，三向刚度值的计算测试相对误差可控制在 15%，便于在设计阶段对零件结构做修正； 2、 胶料类 型 、硫化 方式 、 硫化时间 等工 艺 因素 会 对橡胶 减 振件的 静态 刚 度性能产 生明 显 影响， 但三 向刚 度比例
载力的范围为-3500N 至 3500N； 4、 为降低橡胶材料粘弹性对橡胶静态性能测试的影响，定义加载控制为速度控制，速度为 0.15mm/s；
5、 因主要关注衬套线性静态性能，定义零件线性刚度取值范围为在自由状态下-150N 至 150N； 6、 基于统计原则，每个衬套结构均采集了三个样本的测试数据。
Z向
80
力 (N)
0
样本 1
样本 2
-80
样本 3
计算
-160 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 位移 (mm)
图 7 衬套 C 的三向静态计算与测试力-位移曲线
160
X向
80
160
Y向
80
力 (N) 力 (N)
0 -80 -160
-0.8
0
样本 1 样本 2 -80 样本 3 计算
0
样本 1
样本 2
-80
样本 3
计算
-160
-1.6
-0.8
0.0
0.8
1.6
位移 (mm)
图 6 衬套 B 的三向静态计算与测试力-位移曲线
X向
80
Y向
40
-1 位移 (0mm)
0
样本 1
样本 2 样本 3
-40
计算
1
2 -80 -2
样本 1 样本 2 样本 3 计算
-1
0
1
2
位移 (mm)
160
在此相关性研究中，选取了具有代表性的橡胶减振件零件即橡胶衬套作为研究对 象，选用天然橡胶 N50 作为 硫化原材料来制作样件，采用 MTS833 三轴向试验台测试获得其三向准静态性能曲线，使用 ABAQUS 软件计算 了样件的静态刚度，用统计的方法对比了测试与计算的相关性。 2 橡胶衬套结构与静态性能测试 2.1 典型橡胶衬套结构
根据工程应用经验，筛选了最为常用的四个衬套结构作为研究对象，如
图 1 所示。
图 1 四种衬套结构 衬套 A 为橡胶衬套减振件中最基本的结构形式，左右主簧呈 60～150 度夹角，使衬套在 Z 向运动时 主簧主要 受拉压载荷，并通过合适地安装使衬套在常用载荷时受压，以提高结构疲劳性能。衬套 B 对橡胶主簧进行了变形 处理，设计成斜十字交叉共四根主簧。衬套 C 修改了衬套芯子的结构，适合于单侧芯子连接，经常作为支撑减振 器结构 。衬 套 D 考虑了 左右主簧夹 角中一定厚 度橡胶衔接的状态，主要为实现三 向刚度比例 的同时获得较好的疲 劳性能。 为便于说明和数据统计，这里对衬套的参考坐标系做统一规定，X 向为侧向，Y 向为芯子轴向，Z 向为衬套 主方向，如图 2 所示。
104.13
2.3592 0.6643
91
2.3895 0.6765
14.43%
-1.27% -1.79%
衬套 C
状态对比 测试刚度
X 测试刚度
Y 测试刚度
Z X/Z Y/Z
样本 1 78.09
36.31
114 0.685 0.3185
样本 2 75.61
35.84
113.6 0.6656 0.3155
橡胶衬套静态特性计算测试相关性分析
叶必军 段小成 严妮娜 潘孝勇 （宁波拓普声学振动技术有限公司，宁波，315806）
摘 要：本文首先选取了几种常见结构衬套作为研究对象，并采用合适的橡胶超弹性本构模型在 ABAQUS 软件中计算其三向 静刚度；然后采用同一种胶料分别硫化四种衬套并在 MTS833 弹性体测试平台上测试得其力-位移曲线；最终将衬套的静刚度计算 值与测试值进行对比研究，结果表明在 ABAQUS 中可对橡胶静态性能进行较为准确的模拟，具有较高的工程价值。
-5.96%
Y/Z
0.3781
0.3819
0.3785
0.3795
0.3993
-4.97%
根据统计结果可发现，衬套结构三向刚度比例的计算测试相对误差可控制在 6%之内，说明在结构设计阶段， 通过有限元计算的方式可以较准确地控制结构静态性能，避免样件试制过程的盲目性。同时，三向刚度的测试值 由于零件的硫化时间和模压等会导致较大的变化，与计算值的相对误差可控制在 15%左右。根据橡胶硬度与弹性 几近正比的关系，可控制胶料硬度的偏差在 3 度左右。可基于胶料硬度对产品的工艺性与耐久性的影响，适当调 整产品的结构设计方案。
关 键 字 ： 橡 胶 衬 套 、 有 限 元 分 析 、 测 试 、 ABAQUS
1 概述 橡胶减振器被广泛地应用于汽车减振系统，如动力总成悬置、底盘衬套和排气管吊耳等。在这些系统中，橡
胶减振器的线性静态性能主要为满足系统的减振性能要求，橡胶减振器的非线性静态性能则为满足系统的位移控 制要求。因此，为了满足系统的减振性能和位移控制要求，须对零件的结构和橡胶配方进行设计和优化。所以在 设计初期，如何利用数值计算技术来准确地预测零件的静态性能，就变得极为重要。
84.17
143.8 2.6356 0.5853