橡胶减振元件多向承载分析相关问题的探讨

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1、橡胶减振元件多向承载分析相关问题的探讨口黄友剑口张亚新口郭红锋口刘建勋株洲时代新材料科技股份有限公司湖南株洲412007摘要：橡胶减振元件多向承载，材料非线性，结构大变形，使利用有限元技术预测元件性能异常困难。而实现分析结果对工程实际的指导更是分析工作面临的极大挑战。为此详细介绍了橡胶材料的非线性特点、本构模型的失稳特征，提出了针对橡胶结构的承载特点、适应大变形需要的网格布局的设计思路，并在此基础上，针对一款典型的工程橡胶结构进行刚度及疲劳预测。工程分析实践表明，准确把握橡胶材料的力学性能、利用系统性的加载方式，在设计合适的网格布局的基础上，分析可得到对工程实际具有指导作用的计算结果。关键词：

2、Mullins效应失稳网格布局系统加载中图分类号：TH145．41文献标识码：A文章编号：1000—4998(2olo)o3—0013—04橡胶减振元件服役工况复杂，大多为三向承载，而橡胶材料的非线性特点，橡胶结构的大变形效应，使利用有限元技术预测元件的各项性能变得非常困难。因而试图利用有限元的分析结果来实现对工程实际的指导成为分析工作面临的极大挑战。为此，本文从橡胶材料的力学性能入手，通过一个工程问题的计算，来探讨橡胶减振元件多向承载分析需要考虑的几个问题。1橡胶材料的力学特点为准确理解及把握橡胶材料的变形特性，提高橡胶结构的yj-析精度，橡胶材料的非线性特点、最大应变历程及静态承载时的Mu

3、llins效应，是进行橡胶分析需要考虑的问题。变形下的最大应变效应并不明显，此时分析结果并不1．1材料非线性会因为没有考虑最大应变效应而产生过大的误差。但橡胶材料力学性能中最直观的特点是材料在承载是在分析大变形的极限承载212况时，就必须考虑最大过程中表现出强烈的高度非线性(见图1)⋯，特别是进应变效应，否则计算结果的精确性就无法保证。行常规的扯断强度试验时，更是表现出非常明显的非1．3Mullins软化效应线性特征。当然，在设计产品结构时，为确保使用寿命，模拟橡胶件多向承载需要考虑Mullins效应I2】。在橡胶结构在正常承载过程中，橡胶材料基本表现为线进行橡胶材料的加、卸载试验时，除去材料

4、永久变形后性特性，只有在极限承载过程中才会表现出一定的非的应力应变曲线，可以很明显地观察到橡胶材料的线性效应。Mullins效应，即当硫化橡胶经历加载一卸载一重加载1．2最大应变历程效应过程时，卸载曲线在加载曲线的下面，且重加载时，随在进行橡胶结构分析时，多数分析项目都没有考着应变的增加，应力应变曲线首先沿着卸载路径，并随虑橡胶材料的最大应变历程效应，事实上橡胶材料的着应变的增加，应力应变曲线再次与主曲线重合，橡胶最大应变历程效应是相当明显的(见图1)[1】，最大应变的这种静态应力软化现象，称为Mullins效应(见图2)。为28％的应力应变曲线与最大应变Y~52％的应力应变分析橡胶结构多向承

5、载时，预应变效应对橡胶结曲线并不相同，分析时是否考虑最大应变历程效应对构各向刚度的影响相当明显，如果分析不包括Mullins分析结果有着较大的影响。效应，则计算无法体现出预应变效应对刚度的影响。而通常情况下进行的橡胶分析，在正常工况下属于由于试验条件的限制，许多研究工作无法获取分析所小变形，而且选择的本构模型大多为Mooney函数，小需要的Mullins参数，加上分析项目与工程目标存在脱收稿日期：2009年10月节，更是无法把握及理解橡胶的Mullins软化效应对分机械制造48卷第547期：2010／3回l析结果的影响，因而多向承载分析包含Mullins效应是应该考虑使用另一组本构参数。今后提

6、高分析准确性的一个重要研究方向。3橡胶结构的网格布局2材料本构模型3．1网格变形的基本状态橡胶材料不同于金属材料，金属材料仅需要拉伸橡胶材料在承载过程中，结构形状会不断改变，在数据即可模拟拉伸、压缩及剪切特性，而描述橡胶材料模拟其大变形的过程中，橡胶单元会经历这样的一个的基础性能则需要分别从拉伸、压缩、剪切试验中获变化过程(见图4)：首先是小变形、大变形，然后进入到取。因此，按照计算需要完成实验测试并进行参数拟一定量的扭曲、甚至发展到严重畸变的这样一个网格合，是计算多向承载分析所需要关注的重要工作。质量不断恶化的过程。因此，为确保有限元分析的顺2．1本构模型的选择利进行，应根据橡胶元件的结构特

7、性及加载特点设置针对一组包括拉伸、压缩、剪切在内的完整的试验出既反映橡胶元件的结构特点，又能表征承载特性的数据，选择本构模型的主要理由是：本构拟合得到的三网格形状及网格质量。类应力应变曲线应分别与试验曲线保持高度一致。许多分析设计因没有与产品相关的材料数据，因而目前用户使用最多的、也是最简单的本构模型是Mooney函数，而且分析所需的材料参数大多来自参考文献，与研究的项目并无直接的关系。另外，大量