橡胶-硅油减振器建模与刚度特性分析

 2023-01-13 08:01

论文总字数:15024字

摘 要

良好的驾驶环境可以提高驾驶员的舒适感,减少驾驶员的疲劳程度。橡胶-硅油减振器可以吸收震荡减缓振动,减小由于振动对驾驶室产生的影响。它广泛的应用于工程机械当中,对于改善驾驶室的振动和噪声环境有十分重大的意义。当减振器受到载荷冲击或振动时,橡胶弹簧可用于隔开高频率噪声、冲击和振荡,橡胶具有缓冲特性,可以吸收热振动的能量,消振能力强。硅油相当于一个压缩弹簧,但硅油的缓冲作用优于弹簧。液阻悬置中包含着橡胶和硅油,其减振性能超过传统的橡胶减振器,随着各国学者的不断钻研,其结构和性能都取得了很大的提升,本文针对的橡胶-硅油减振器的刚度模型进行研究,主要工作集中在以下几点:

首先,在研究减震器的发展历史和基本研究理论的基础上,简单研究了橡胶-硅油组合式减振器的结构分析与材料选用。

第二,简单分析橡胶的本构模型,对橡胶的本构模型进行研究分析,选用4组参数和3种本构模型进行分析,建立不同的材料属性模型。

第三,利用有限元软件ABAQUS开展了橡胶-硅油组合式减振器的静态刚性和谐响应分析,分析结果和实验进行比对。

关键词:减振器;橡胶本构模型;有限元分析;ABAQUS

Modeling and stiffness characteristic analysis of rubber-silicone oil shock absorber

Abstract

A good driving environment can improve the driver"s comfort and reduce the driver"s fatigue. Rubber - silicone oil shock absorber can absorb vibration and reduce the impact of vibration on the cab. It is widely used in construction machinery and is of great significance to improve the vibration and noise environment of cab. When the shock absorber is subjected to load shock or vibration, the rubber spring can be used to separate the high frequency noise, shock and vibration, rubber has the buffering characteristics, can absorb the energy of the thermal vibration, the vibration elimination ability is strong. Silicone oil is equivalent to a compression spring, but the cushioning effect of silicone oil is better than the spring. The liquid resistance suspension contains rubber and silicone oil, and its vibration damping performance is better than that of the traditional rubber shock absorber. With the continuous study of scholars from various countries, its structure and performance have been greatly improved. In this paper, the stiffness model of the rubber-silicone oil shock absorber is studied.

Firstly, on the basis of the development history and basic research theory of shock absorber, the structure analysis and material selection of rubber-silicone composite shock absorber are simply studied.

Secondly, the constitutive model of rubber was simply analyzed, and the constitutive model of rubber was studied and analyzed. Four sets of parameters and three constitutive models were selected for analysis to establish different material property models.

Thirdly, using finite element software ABAQUS, the static rigid harmonious response analysis of rubber - silicone oil combined shock absorber was carried out, and the analysis results were compared with the experiment.

Keywords: shock absorber; rubber constitutive model; finite element analysis; ABAQUS

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 国外研究现状 1

1.2.2 国内研究现状 2

1.3 本课题研究内容 2

第二章 橡胶-硅油减振器的设计结构和材料 3

2.1设计结构 3

2.2 橡胶-硅油减振器的材料 3

2.3 橡胶的本构模型及参数 4

第三章 橡胶-硅油减振器的有限元分析 6

3.1 橡胶的非线性特点 6

3.2 橡胶主簧分析 6

3.2.1 部件建模 6

3.2.2 橡胶属性 6

3.2.3 设置分析步 7

3.2.4 施加载荷 7

3.2.5 网格划分 8

3.2.6 提交结果 9

3.2 橡胶-硅油减振器分析过程 11

3.2.1 创建部件 11

3.2.2 创建材料属性 12

3.2.3 部件装配 13

3.2.4 定义分析步 13

3.2.5 定义接触 14

3.2.6 定义边界条件 15

3.2.7 网格划分 16

3.2.7提交和结果分析 17

第四章 总结和展望 19

4.1 总结 19

4.2 展望 19

致谢 20

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

工程车辆工作时避免不了发生振动和噪声,这些振动和噪声会对工程车辆造成损害,发动机的振动过大会造成疲劳破坏,降低机械的工作寿命,同时也会使驾驶员易疲劳不适,降低工作效率。工程车辆的动力总成系统以及路面低频激励产生的振动由车架传递到驾驶室,容易使驾驶室以及车架等结构产生开裂等问题,会使驾驶人员站立不稳,而且工程车辆的工作环境也比较复杂多变,易受到各种方面的干扰影响,例如路面崎岖颠簸,在吊装或者卸载时产生的冲击载荷,。驾驶员在车辆大幅震动的作用下,容易出现疲劳、迟钝、协调性差等现象,影响工作的效率、身心健康甚至容易引发工程事故等。

所以工程车辆的减振设计,必须考虑车辆会受到来自路面的颠簸的振动,以及来自发动机、变速箱振动两方面的影响,并且来自路面的振动是具有低频特性,而来自发动机、变速箱的则是高频振动,所以减振设计必须要能满足这两种需求。为了满足这种特殊减振则需要在低频时候,能避免车身与驾驶室出现大幅度晃动,以及振动带来的冲击载荷影响,当在面对高频振动时,要能够吸收来自发动机、变速器传递的高频振动能量,降低传递率同时降低噪声影响,以保障车辆结构的安全,不会因为共振带来危害,同时提高乘坐舒适性。总而言之,在低频时要有较高的刚度特性,但在面对高频时又有着较低的刚度特性。

橡胶-硅油减振器能够起到这样的缓冲减振功效,它能够改善驾驶员的工作环境,减少来自振动的影响。橡胶则是橡胶-硅油减振器的主要组成部分,橡胶与金属材料不同,不能简单用弹性模量和泊松比来概括。在静态载荷的作用下,橡胶材料表现出超弹性特征,橡胶的应力应变关系是非线性的,合适的本构模型对于橡胶材料的超弹性十分重要。

ABAQUS是一个多种分析功能集成的软件,可以仿真拟合岩土、流体、橡胶、复合材料的各种材料。它将实体离散为有限个单元,通过对每个单元的力学分析再映射到整体。ABAQUS存有许多不同的力学性能模型,能够应对不同的材料,也可以通过调用外部程序的方法实现材料属性的自定义。

本文以橡胶-硅油减振器为对象,建立橡胶-硅油减振器模型,利用ABAQUS有限元分析软件进行静态仿真,针对不同的橡胶本构模型进行分析。

国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

液阻悬置也就是橡胶-硅油减震器,其内部存在空腔,空腔内充满流体,这也使得它不同于传统的固体橡胶硅油减振器。液阻悬置减振器与橡胶减振器之间有一定的联系,国外对此研究颇为深入。L.Meunier研究了一种未填充橡胶。他对橡胶材料进行了多次试验,如拉伸试验和压缩试验。通过实验数据模拟了橡胶的超弹性,得到了橡胶本构模型参数。数据表明,橡胶材料的超弹性与变形程度有关[4]。Jun-HwaLee等人在2005年利用一个非线性等效粘性阻尼系统模型,并以显式的方式表示设计变量,提出了基于该系统的等效线性模型,其呈现出对液阻悬置有效且简单的设计公式。2006年,A. R. Ohadi等人应用有限元方法对液阻悬置的动态特性进行了模拟。R Tikani等人2010年对液阻悬置的动态刚度和静态刚度做了一定比较,并提出了一种新型液阻悬置设计方式,建议采用两种流体介质,以消除豁口频率和峰值频率时候,静态刚度与动态刚度的极大差异现象。同时他对其仿真方法也做了一定讨论探究。

1.2.2 国内研究现状

在国内,对于液阻悬置的研究,张国昌针对橡胶-硅油减振器的进行研究,对于发动机上的减振器,发现了动力源和减振器的组合方式,增加了曲轴的适用性。刘祖斌等人在对发动机悬置动刚度参数进行理论分析和试验研究的基础上,结合动力总成悬置动刚度匹配计算。同时黄强还对橡胶-硅油减振器的设计结构进行优化,研究间隙变化对液阻悬置的惯量、阻尼特性影响效果,虽然有一定参考性但是未提供一个更加普遍适用的计算设计方法。潘孝勇为了取得粘弹性径向刚度公式和超弹性径向刚度公式,对橡胶材料的进行剪切试验,在振幅不大的条件的下,对橡胶减振器进行仿真拟合,发现阻尼特性和刚度刚好符合实验数据 [6]。王锡龙研究了几何参数的影响,计算得出了径向刚度公式,利用公式计算减振器刚度的影响,以及流体对于减振器刚度阻尼的影响[7]。李冠霖利用非线性有限元算法,研究了液阻悬置的设计结构,对横向的刚度特性进行研究,利用仿真软件和实验结果对比,通过疲劳试验验证其计算结果正确 [8]。2006 年,上海交通大学的张云侠分析了某被动型液阻悬置在高、低频区域的动态特性,建立了集总参数模型,发现橡胶-硅油减振器有良好的变频特性。其采用的键合图方法为液阻悬置的研究打开了一个新窗口。伍魏明利用有限元软件ANSYS对环形橡胶-硅油减振器静态刚度特性进行拟合,利用试验数据计算确定了不同的橡胶超弹性本构模型参数,并且通过试验机对于环形橡胶-硅油减震器进行实验。

1.3 本课题研究内容

由于减震器的主体部分为橡胶弹簧,所以本文对橡胶本构模型进行研究,建立了减震器的力学模型,对不同的橡胶本构模型进行建模,并利用有限元软件进行分析比较。本研究的主要工作集中在一下几个方面:

(1)简单介绍液阻悬置的设计结构,探究橡胶材料的本构模型,简单介绍对比不同橡胶本构模型之间的差异。

(2)在有限元软件中绘制减振器模型,对橡胶材料属性进行研究和设置,对减震器各个元件进行接触设置,对橡胶主簧进行约束,加载静态载荷和谐响应计算得出结果,校验橡胶主簧的刚度。

(3)在弹性试验台上对减震器进行振动测试,分别记录了不同频率激励下的时间位移曲线,并和仿真结果进行比对。

第二章 橡胶-硅油减振器的设计结构和材料

2.1设计结构

目前工程机械驾驶室大多采用橡胶减振器和橡胶硅油减振器来对振动进行吸收缓震。橡胶减振器使用范围较为普遍,大多使用在驾驶室的减振设计中,橡胶悬置的经典设计是一种的多结构模式,这种简单的隔振器主要包含弹性橡胶垫块、垫板和连接螺栓,往往这种简单的隔振装置难以起到有效的隔振效果。由于橡胶垫块隔振器的效果不佳,目前,液阻悬置越来越多被应用在驾驶室隔振中。

液阻悬置是对粘性液体封装到中空弹性体构成隔振器,经常用于液压挖掘机和大中型装载机的驾驶室隔振中。用于驾驶室隔振的液阻悬置一般采用硅油封装于橡胶和金属钢杯构成的液腔室内,所以被称为橡胶-硅油减振器,这种隔振器有许多优点,利用橡胶起到高频隔振,也可以有效减小低频大幅度,这种隔振器减震性能好,即使机体有所晃动,也不会影响的到操作人员舒适度。

橡胶-硅油减振器采用复合拉压式减振器的结构,主要包括橡胶主簧、橡胶衬套、钢杯和链接螺栓以及阻尼盘,减震器的基本形式采用图2.1形式。橡胶主体采用剪切形式,中间为链接螺杆,以便于减震器的安装,同时防止橡胶振动过大或者液体溢出,所以在钢杯和主簧之间加上一个钢衬套,螺杆与主簧,主簧与钢杯,以及主簧与衬套都采用用硫化连接。

图2.1 复合拉压式减振器结构

2.2 橡胶-硅油减振器的材料

液阻悬置的连接螺栓、橡胶衬套和液体钢杯选用45号钢作为材料。45钢是一种优质碳素结构钢,经过适当的热处理后,具有一定的韧性、延展性、耐磨性。

橡胶-硅油减振器的主体部分是橡胶主簧,其材料为橡胶,橡胶在大的变形下能够迅速的恢复变形。橡胶高弹性的本质是熵弹性,熵越大越稳定,而一般材料的普弹性则是能量的弹性,能量越低越稳定。橡胶材料的弹性模量和伸长率成反比,同时,橡胶中可以添加其他成分,可以改变橡胶材料的性能,使其获得普通橡胶不具备的特性,如寒冷抗性、磨损抗性等。由于橡胶材料的这些特性,在工程、航运、航空领域都选取橡胶作为减振材料[9]。根据橡胶的性能和使用范围,主要分为天然橡胶和合成橡胶。除天然橡胶外,合成橡胶可分为通用合成橡胶和特种合成橡胶,如图2.2所示。

图2.2 橡胶的分类

在工程中,减震器一般选用天然胶和丁腈胶两类

橡胶种类

天然橡胶(NR)

丁腈橡胶(NBR)

氯丁橡胶(CR)与丁基橡胶(JIR)

性能和使用范围

强度、延伸率、耐磨性和耐寒率等综合物理力学性能较好,能与金属牢固结合,缺点是耐油、耐热交叉,常用于一般仪器设备

耐油、耐热性好,阻尼较大,与金属结合性好,常作动力机械和工程机械减振

CR 优点是耐候性好,常用于防老化、防臭氧要求高的场合,缺点是生热性大。

JIR 优点是阻尼大,隔振性能好,耐寒、耐酸、耐臭氧性能好,确定是与金属结合性差,只能单独使用

表2.1 橡胶材料性能

2.3 橡胶的本构模型及参数

橡胶-硅油减振器的主体部分主要是橡胶。金属材料可以利用弹性模量和泊松比来描述材料的弹性,金属材料的应力应变关系是线性相关的,而橡胶是典型的非线性材料。在有限元法中,常把橡胶近似视为不可压缩材料,加载静态载荷,橡胶发生大形变,在卸载时应变可自动恢复,橡胶的张量和应变张量不满足线性关系。因此可以用不同的弹性能函数来表达橡胶的超弹性,所以应该选用合适的橡胶本构模型。常用的有限元ABAQUS有单独计算模块,可以利用橡胶本构模型的相关参数表征出橡胶材料的超弹性。基于唯象理论的超弹性本构模型认为:橡胶中长链分子的取向是随机的,所以可以用每单位体积应变能密度表示橡胶的超弹性特性。这种模型反应了橡胶中长分子链的连续各向同性和聚合物。高聚合物的分子具有随机性,且橡胶变形改变分子的分布。基于连续介质力学,构造出描述橡胶材料力学性能的框架 [9]。超弹性模型的本构关系可以利用应变能来表示:

(3-1)

式子中和分别表示等体积应变能和体积应变能,,分别分别为右Cauchy-Grcen变形张量、等体积右Cauchy-Green变形张量,为等体积变形梯度。

右Cauchy-Grccn变形张量C的3个主不变量为:

(3-2)

等体积右变形张量石的主不变量为:

(3-3)

在有限元软件中大部分是应用这种本构模型,多项式本构模型的常规方程如下:

(3-4)

方程中,U为单位体积的应变能;式子中第一项为应变偏能量;第二项为体积应变能;N是多项式的阶数;Cij和Di是橡胶材料系数;其中Di用来描述橡胶的可压缩性,若橡胶不可压缩则不考虑第二项;I1和I2是一阶应变不变量和二阶应变不变量;Jel是材料的弹性体积比[9]

常用的多项式本构模型的应变能函数有一下几种:

  1. Neo-Hookean模型

(3-5)

式中,C10表示材料模型系数,代表材料的剪切模量;I1是一阶应变不变量。

  1. Mooney-Rivlin模型

(3-6)

式中,Ci0、C01表示材料模型参数;I1和I2分别表示一阶应变不变量和二阶应变不变量。当C01为零时,则得到Neo-Hookean模型。

  1. Yeoh模型

(3-7)

式中,Ci0表示材料模型参数;Di为材料的不可压缩常数;J为材料形变的比值。当N分别取1、2、3 时则对应着1阶、2阶、3阶Yeoh模型。

第三章 橡胶-硅油减振器的有限元分析

3.1 橡胶的非线性特点

几何非线性、材料非线性、边界非线性构成了橡胶减震器的非线性特点。其中几何非线性是指橡胶作为材料体积不被压缩,结构的变位使体系的受力发生了显著的变化,使线性系统的分析方法不能被使用,在ABAQUS中可以在分析步中设置几何非线性开关为打开;材料非线性指橡胶材料为粘弹性材料,其应力应变曲线不能够用线性关系来表示,影响因素很多,如加载历史、加载时间、环境温度;边界非线性是指橡胶材料与金属材料接触的过程中,其边界条件在分析过程中会发生变化,ABAQUS里的相互作用模块可以设置每个接触的相互作用,以及橡胶材料与金属部件之间的接触约束,通过软件仿真力的传递来确定边界条件。

3.2 橡胶主簧分析

3.2.1 部件建模

对橡胶主簧进行分析,在部件模块中建立简化橡胶主簧模型,如图3.1所示。

图3.1 橡胶主簧

3.2.2 橡胶属性

橡胶具有超弹性特质,在进行有限元分析时,采用不同的橡胶本构模型会对拟合结果造成不同的影响。

(1) Mooney-Rivlin模型

Mooney-Rivlin本构模型可以在小应变和中等应变时较好的描述橡胶材料的超弹性特性,其应变函数参照式(3-6),其模型参数为C10=1.262 C01=-0.352[10]

(2) Neo-Hookean模型

Neo-Hookean模型是最常用的橡胶材料分子统计学本构模型。其应变函数参照式(3-5),其模型参数为C10=0.9[10]

(3) Yeoh模型[11]

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