【摘 要】
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橡胶悬置作为整车关键接附点之一,在动力总成与车身(或车架)间扮演着支撑、限位和隔振的角色,除了要确保动力总成的运动行程始终保持在不会与其它汽车部件发生擦碰的合理范围内,还需要完成动力总成到车身和路面到动力总成的传递路径中的振动峰值衰减以及振动能量耗散。橡胶悬置的静动性能表现和疲劳循环寿命是否符合设计要求与整车的NVH性能以及舒适性息息相关。然而温度、臭氧等外界环境因素常常降低甚至破坏橡胶材料的优良
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橡胶悬置作为整车关键接附点之一,在动力总成与车身(或车架)间扮演着支撑、限位和隔振的角色,除了要确保动力总成的运动行程始终保持在不会与其它汽车部件发生擦碰的合理范围内,还需要完成动力总成到车身和路面到动力总成的传递路径中的振动峰值衰减以及振动能量耗散。橡胶悬置的静动性能表现和疲劳循环寿命是否符合设计要求与整车的NVH性能以及舒适性息息相关。然而温度、臭氧等外界环境因素常常降低甚至破坏橡胶材料的优良性能,其中热氧导致的老化现象往往会造成橡胶悬置的静动性能衰退。因此对橡胶悬置进行考虑老化因素的静动特性研究和疲劳寿命预测是非常有必要的,能够给与其相关的性能设计、配方改进、结构优化等方案以有力的理论指导及数据支撑。本文以某橡胶悬置的静动特性和疲劳寿命的验证为研究目标,通过研究橡胶材料的力学特性、老化现象和疲劳理论,并引入单轴拉伸、简单剪切、热空气老化和裂纹扩展等试验方法,再联合刚度有限元和疲劳裂纹扩展仿真技术,着重对材料老化前后的本构关系和弹性模量、悬置静动性能和疲劳寿命进行了深入研究。(1)总结常见的橡胶材料的力学性质和力学行为,针对超弹性和粘弹性本构模型的理论基础、推导过程和试验方法进行重点研究。为获取超弹模型,利用材料电子万能试验机开展45HA哑铃型橡胶件的单轴拉伸试验,结果表明Yeoh模型拟合效果最佳。为获取粘弹模型,通过简单剪切试验得到1000Hz内橡胶材料的储存模量、损失模量和损耗因子,并转换为归一化剪切松弛函数模型。(2)开展热空气老化试验,研究并建立老化前后橡胶本构模型参数和初始弹性模量的变化规律Peck-Yeoh模型,分析了材料硬度增加、试验温度上调和老化时间推移对拉伸性能的影响。利用热空气老化试验箱完成60组试件的老化后继续获取其Yeoh模型参数。推导得到初始弹性模量约为6c10,通过非线性拟合建立老化橡胶材料Yeoh模型参数和初始弹性模量的Peck-Yeoh模型,并绘制硬度曲线、老化曲线和时间曲线,以曲线斜率分析对拉伸性能的影响。研究表明Peck-Yeoh模型成功归纳出初始弹性模量的变化规律。而硬度、温度和时间的增大均会造成初始弹性模量的上升,其中硬度的影响最为显著,时间导致的性能衰退先快后慢,而试验温度上调的作用较老化时间延长更为明显。(3)完成橡胶悬置有限元建模仿真,再结合刚度试验验证静动特性。简化得到橡胶悬置的1/4和1/2有限元模型,有效提升仿真计算效率,再通过动态伺服试验机进行刚度试验。研究表明悬置动刚度随加载频率的加快整体呈上升趋势,具体是在低频区间快速增大后在高频区间增速逐步放缓;滞后角先上升,到达某频率值后开始略微下降,符合频率相关性规律。通过计算得到静、动刚度分别存在10%和20%以内的仿真误差,均在可接受的范围内。因此一方面该橡胶悬置的静动性能得到验证,另一方面借助CAE技术实现预研的可行性以及准确度也再次得以证明。(4)仿真得到各老化工况下的悬置垂向静刚度,借助单自由度积极隔振系统的振动传递率曲线分析热空气老化造成隔振性能衰退的现象。借助老化橡胶Yeoh模型,通过仿真得到悬置在各老化工况下的垂向静刚度值,并定义老化前后静刚度比,绘制得到各硬度下静刚度及静刚度比的三维曲面图。研究表明适当的静刚度增加会增强支撑限位功能,但45HA橡胶老化后垂向静刚度值增大60.05%以上,会导致悬置刚度功能性失效和隔振性能严重衰退的问题。(5)搭建橡胶悬置多轴疲劳仿真模型并基于开裂能密度完成裂纹扩展寿命预测。在描述具有应变结晶性质的橡胶的裂纹扩展速率时需结合Thomas和Mars-Fatemi模型来考虑载荷比的影响。借助Fe-safe/Rubber的橡胶材料库和Endurica疲劳算法,参考撕裂强度和裂纹扩展试验获取的裂纹扩展参数,搭建疲劳仿真模型,并将仿真结果和同一模型的悬置的台架结果相互印证。研究表明该悬置最小疲劳寿命发生在最大应力单元处,疲劳破坏位置和裂纹扩展方向与试验相符,有效地预测了疲劳破坏信息,一定程度上使得疲劳仿真的可行性得到说明。此寿命预测方法在橡胶悬置的开发设计阶段具有一定的参考价值,由于对试验数据的需求量较小能够有效缩短开发周期。
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