一种橡胶隔振器蠕变特性性能的预测方法

摘要

本发明公开了一种橡胶隔振器蠕变特性性能的预测方法。所述方法包括：建立橡胶隔振器的几何模型；对橡胶隔振器的橡胶部分进行网格划分；采用超弹‑非线性粘弹性叠加本构模型，采用本构模型参数识别方法完成材料属性设置；对橡胶隔振器金属外管的所有结点的六个自由度进行约束；将橡胶隔振器金属内管的所有结点关联至橡胶隔振器的中心结点，对该中心结点施加沿着大小恒定的力，完成边界条件设置；结果后处理：记录橡胶隔振器中心结点位移随着时间的变化情况，得到中心结点的蠕变量曲线，根据橡胶隔振器中心结点的蠕变量曲线来评估橡胶隔振器的蠕变特性性能。本发明能通过有限元的手段预测不同结构的橡胶隔振器在不同载荷条件的蠕变特性，并且具有较高的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车橡胶隔振器蠕变特性性能的计算与评估领域，特别涉及一种橡胶隔振器蠕变特性性能的预测方法。

背景技术

随着国民经济和汽车行业的快速发展，人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高。为了降低汽车的振动和噪声，橡胶隔振器被广泛应用在汽车上。而橡胶隔振器一直在载荷条件下工作，所以不可避免地会发生蠕变现象。橡胶隔振器的蠕变特性对橡胶隔振器的动态特性有较大影响，即橡胶隔振器的阻尼和动刚度随着蠕变而增大，不利于隔振。橡胶隔振器的蠕变现象对汽车的NVH性能与橡胶隔振器的寿命有较大的影响。

在橡胶隔振器产品的前期设计中，通常橡胶隔振器的蠕变预留余量是基于经验考虑的，然后通过制造和测试样件性能的方式来开发产品。这样可以保证产品的可靠性，但是会带来产品开发周期长、浪费人力物力、依赖主观经验等问题。因此，对于橡胶隔振器，需要对其蠕变特性性能进行计算与评估。

现有技术中，橡胶隔振器蠕变特性的计算方法有：(1)Luo R K等采用与时间相关的超弹性修正本构模型计算橡胶隔振器的蠕变特性(Luo R K,Zhou X L,Tang JF.Numerical prediction and experiment on rubber creep and stress relaxationusing time-dependent hyperelastic approach[J].Polymer Testing,2016,52(04):246-253.)，但是该方法在不同的载荷条件下需更换模型的本构参数。(2)荣继刚等通过超弹-广义Maxwell叠加本构模型计算橡胶隔振器的蠕变特性(荣继刚,黄友剑,张亚新,等.橡胶轴箱弹簧垂向刚度及蠕变特性的研究[J].特种橡胶制品,2009,30(02):60-63.)，但该方法仅能准确描述橡胶隔振器在某一载荷下的蠕变特性，对橡胶隔振器在不同载荷下的蠕变特性计算误差较大。因此，提出一种基于超弹-非线性粘弹性叠加本构模型在有限元软件Abaqus中计算橡胶隔振器蠕变特性的计算方法，以准确预测橡胶隔振器在不同载荷下的蠕变特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于超弹-非线性粘弹性叠加本构模型在有限元软件Abaqus中计算橡胶隔振器蠕变特性的计算方法，以准确预测橡胶隔振器在不同载荷下的蠕变特性。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种橡胶隔振器蠕变特性性能的预测方法，包括以下步骤：

S1、建立橡胶隔振器的几何模型；

S2、对橡胶隔振器的橡胶部分进行网格划分；

S3、采用超弹-非线性粘弹性叠加本构模型，即超弹性本构模型和非线性粘弹性本构模型的叠加模型，采用本构模型参数识别方法完成材料属性设置；

S4、对橡胶隔振器金属外管的所有结点的六个自由度进行约束，保证金属外管的所有结点不会发生运动；将橡胶隔振器金属内管的所有结点关联至橡胶隔振器的中心结点，对该中心结点施加沿着大小恒定的力，完成边界条件设置；

S5、结果后处理：记录橡胶隔振器中心结点位移随着时间的变化情况，得到中心结点的蠕变量曲线，根据橡胶隔振器中心结点的蠕变量曲线来评估橡胶隔振器的蠕变特性性能。

进一步地，步骤S1中，使用三维建模软件UG建立橡胶隔振器的几何模型。

进一步地，步骤S2中，为提高有限元计算精度，选择六面体网格，网格尺寸控制在2mm以内。

进一步地，步骤S3中，所述超弹性本构模型选择Mooney-Rivlin模型，其应变势能函数的表达式为：

其中C

进一步地，步骤S3中，所述非线性粘弹性本构模型关于蠕变应变速率的表达式为：

其中A、m、n是描述材料蠕变特性的材料参数；

进一步地，步骤S3中，所述本构模型参数识别方法具体如下：

对于超弹性本构模型中的本构参数，通过对橡胶试样进行单轴向拉伸、等双轴拉伸和平面剪切测试，对应力应变数据进行处理，通过最小二乘法拟合得到超弹性本构模型的本构参数，得到的参数用于非线性粘弹性本构模型的参数识别；

对于非线性粘弹性本构模型的本构参数，首先对橡胶试片进行不同载荷的剪切蠕变试验，基于试验结果识别出橡胶在某一载荷下采用广义Maxwell模型的材料参数；然后通过广义Maxwell模型的材料参数转化得到非线性粘弹性本构模型本构参数的初始值；将非线性粘弹性本构模型本构参数的初始值带入Isight联合Abaqus进行参数识别，反复迭代直至识别出本构模型参数；识别出本构模型参数后，通过修改有限元软件Abaqus中的inp文件的方式完成对超弹-非线性粘弹性叠加本构模型参数的设置。

进一步地，采用Isight联合Abaqus进行参数识别的具体步骤如下：

S3.1、以单元网格为反推对象，本构参数选用采用非线性粘弹性本构模型的初始值，分别根据对橡胶试片进行不同载荷的剪切蠕变试验时的载荷条件在Abaqus进行计算，得到各个载荷条件下的单位计算蠕变量曲线；

S3.2、将各个载荷条件下的单位计算蠕变量曲线导入Isight软件中，将橡胶试片试验得到的试验蠕变量曲线除以橡胶试片的厚度得到的单位试验蠕变量曲线导入Isight软件中，在Isight软件中将单位计算蠕变量曲线与单位试验蠕变量曲线进行数据匹配，将匹配的误差导入Isight软件中的优化模块，优化目标是最小化单位计算蠕变量曲线和单位试验蠕变量曲线之间的误差；

S3.3、在Isight软件中的优化模块中使用Hooke-Jeeves优化算法，自动更新非线性粘弹性本构模型的本构参数，自动重启Abaqus软件，将更新的材料参数代入Abaqus软件重新计算，得到新的单位计算蠕变量曲线，重复步骤S3.1和步骤S3.2，直到单位计算蠕变量曲线和单位试验蠕变量曲线之间的误差满足精度要求，识别出本构模型参数。

进一步地，步骤S5中，所述蠕变量是橡胶在某一恒定的载荷下，其沿着载荷方向的变形量与刚施加载荷后的变形量的差值。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

1)本发明能够能准确地预测橡胶隔振器在不同载荷下的蠕变特性；

2)本发明能通过有限元计算的方法预测不同结构橡胶隔振器的蠕变特性，以指导橡胶隔振器的前期设计；

3)本发明以橡胶隔振器中心结点的蠕变量来描述橡胶隔振器整体的蠕变特性，预测效果好。

附图说明

图1是本发明实施例中一种橡胶隔振器蠕变特性性能的预测方法的流程图。

图2是本发明实施例中橡胶隔振器示意图。

图3是本发明中超弹-非粘性粘弹性叠加本构模型示意图。

图4是本发明中橡胶试片剪切蠕变试验工装示意图。

图5是本发明中不同载荷下橡胶试片剪切蠕变试验试验结果示意图。

图6是本发明中某一载荷下的归一化蠕变柔量和归一化时域剪切松弛模量随时间的变化关系示意图。

图7是本发明中通过Isight联合Abaqus识别参数的流程图。

图8是本发明中识别非线性粘弹性本构模型参数中选用的单元网格示意图。

图9是本发明中橡胶隔振器计算蠕变量的物理模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的具体实施作进一步详细描述。

实施例：

一种橡胶隔振器蠕变特性性能的预测方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、使用三维建模软件UG建立橡胶隔振器的几何模型，橡胶隔振器示意图如图2所示；

S2、对橡胶隔振器的橡胶部分进行网格划分；

本实施例中，计算模型尺寸与橡胶隔振器实体尺寸相一致，为提高有限元计算精度，选择六面体网格，网格尺寸控制在2mm以内；

S3、如图3所示，采用超弹-非线性粘弹性叠加本构模型，即超弹性本构模型和非线性粘弹性本构模型的叠加模型；

所述超弹性本构模型选择Mooney-Rivlin模型，其应变势能函数的表达式为：

其中C

所述非线性粘弹性本构模型关于蠕变应变速率的表达式为：

其中A、m、n是描述材料蠕变特性的材料参数；

表1待识别的非线性粘弹性本构模型参数

采用本构模型参数识别方法完成材料属性设置，具体如下：

对于超弹性本构模型中的本构参数，通过对橡胶试样进行单轴向拉伸、等双轴拉伸和平面剪切测试，对应力应变数据进行处理，通过最小二乘法拟合得到超弹性本构模型的本构参数，得到的参数用于非线性粘弹性本构模型的参数识别；

对于非线性粘弹性本构模型的本构参数，本实施例中，首先设计了图4a、图4b所示的橡胶试片剪切蠕变试验工装，其中橡胶试片硫化在运动块和固定块之间，固定块通过螺栓连接固定在底座上。在Instron拉力机上对橡胶试片进行不同载荷的剪切蠕变试验，试验蠕变量曲线如图5所示，基于试验结果识别出橡胶在某一载荷下采用广义Maxwell模型的材料参数；然后通过广义Maxwell模型的材料参数转化得到非线性粘弹性本构模型本构参数的初始值，本实施例中，具体如下：

将40N载荷下的剪切蠕变试验结果转化为归一化蠕变柔量j

J

式中，τ

在刚施加载荷的零时刻，蠕变柔量J

J

式中，γ(0)为刚施加载荷后的应变量。

对于剪切实验，橡胶的剪切应变γ(t)为：

式中，x

归一化蠕变柔量j

式中，x

归一化时域剪切松弛模量g

其中，gi和t

将图6中的归一化时域剪切松弛模量g

当非线性粘弹性本构模型中的材料参数m等于0且n等于1的时候，该本构模型的响应等同于广义Maxwell模型的响应，基于下述公式将广义Maxwell模型的参数转换得到非线性粘弹性本构模型参数的初始值：

当m等于0且n等于1的时候，其刚度比s

s

材料参数A

A

式中G

将非线性粘弹性本构模型本构参数的初始值带入Isight联合Abaqus进行参数识别，反复迭代直至识别出本构模型参数，识别流程图如图7所示，具体步骤如下：

S3.1、本实施例中，以图8所示的厚度为1mm的长方体单元网格为反推对象，本构参数选用采用非线性粘弹性本构模型的初始值，分别根据图5的载荷条件(试验工装在40N，80N，120N下的应力条件)在Abaqus进行计算，得到各个载荷条件下的单位计算蠕变量曲线；

S3.2、将这三条单位计算蠕变量曲线导入Isight中，将图5中的橡胶试片试验得到的三条试验蠕变量曲线除以橡胶试片的厚度得到的单位试验蠕变量曲线导入Isight中，在Isight中将单位计算蠕变量曲线与单位试验蠕变量曲线进行数据匹配，将匹配的误差导入Isight中的优化模块，优化目标是最小化单位计算蠕变量曲线和单位试验蠕变量曲线之间的误差；

S3.3、在Isight中的优化模块中使用Hooke-Jeeves优化算法，自动更新非线性粘弹性本构模型的本构参数，自动重启Abaqus，将更新的材料参数代入Abaqus重新计算，得到新的单位计算蠕变量曲线，重复步骤S3.1和S3.2，直到计算蠕变量曲线和单位试验蠕变量曲线之间的误差满足精度要求，识别出本构模型参数。

识别出本构模型参数后，通过修改有限元软件Abaqus中的inp文件的方式完成对超弹-非线性粘弹性叠加本构模型参数的设置。

S4、图9是橡胶隔振器计算蠕变量的物理模型示意图。如图9所示，对橡胶隔振器金属外管的所有结点的六个自由度进行约束，保证金属外管的所有结点不会发生运动；将橡胶隔振器金属内管的所有结点关联至橡胶隔振器的中心结点，对该中心结点施加沿着大小恒定的力，完成边界条件设置；

S5、结果后处理：记录橡胶隔振器中心结点位移随着时间的变化情况，得到中心结点的蠕变量曲线，所述蠕变量是橡胶在某一恒定的载荷下，其沿着载荷方向的变形量与刚施加载荷后的变形量的差值；根据橡胶隔振器中心结点的蠕变量曲线来评估橡胶隔振器的蠕变特性性能。