基于有限元的板簧橡胶支座失效形式分析_郝慧荣.pdf

投稿网址:www stae com cn2023 年 第23 卷 第5 期2023，23(5):02156-08科学技术与工程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2022-05-11;修订日期:2022-11-11基金项目:内蒙古自治区科技计划(2021GG0437);内蒙古自治区高等学校青年科技人才发展计划(NJYT22085);内蒙古自治区自然基金(2020LH05015);内蒙古自治区高等学校科学研究项目(NJZY20076)第一作者:郝慧荣(1981)，男，汉族，内蒙古包头人，博士，副教授。研究方向:车辆动力学。E-mail:tchhrzhj163 com。引用格式:郝慧荣，曹艳状，程利军，等 基于有限元的板簧橡胶支座失效形式分析 J 科学技术与工程，2023，23(5):2156-2163Hao Huirong，Cao Yanzhuang，Cheng Lijun，et al Failure form analysis and experimental test of rubber bearing based on finite element J Science Technology and Engineering，2023，23(5):2156-2163基于有限元的板簧橡胶支座失效形式分析郝慧荣1，曹艳状1，程利军2，李玉龙3，张慧杰1(1 内蒙古工业大学能源与动力工程学院，呼和浩特 010051;2 中国重汽工艺研究院智能化技术部，济南 250031;3 解放军 96901 部队，北京 100000)摘要板簧橡胶支座是重型运载车辆的重要减振部件，针对车辆在行驶过程中，因支座出现故障造成车辆无法正常行驶的问题，以板簧橡胶支座为研究对象，提出了一种橡胶趋近失效时的刚度修正方法，并对板簧橡胶支座进行仿真分析，找出支座的故障原因，最终对支座进行过载压力测试实验以及滑移测试实验来验证仿真的准确性。结果表明:修正后的刚度表达式更适合橡胶部件失效时的刚度计算，采用仿真与实验相结合的方式，能够有效地找出板簧橡胶支座的故障原因。同时在对支座进行故障分析的过程中积累了一定实验数据，也为后期的优化提供了基础准备。关键词板簧橡胶支座;刚度修正;仿真分析;测试实验中图法分类号U443;文献标志码AFailure Form Analysis and Experimental Test ofubber Bearing Based on Finite ElementHAO Hui-rong1，CAO Yan-zhuang1，CHENG Li-jun2，LI Yu-long3，ZHANG Hui-jie1(1 College of Energy and Power Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China;2 Intelligent Technology Department，China National Heavy Duty Truck Process esearch Institute，Jinan 250031，China;3 PLA 96901 Unit，Beijing 100000，China)Abstract The leaf spring rubber bearing is an important vibration damping component for heavy-duty vehicles Aiming at the prob-lem that the vehicle cannot run normally due to the failure of the bearing during the driving process，the leaf spring rubber bearing istaken as the research object，and a kind of rubber was proposed The stiffness correction method when approaching failure was carriedout，and the simulation analysis of the leaf spring rubber bearing was carried out to find out the failure cause of the bearing Finally，the overload pressure test experiment and the slip test experiment were carried out on the bearing to verify the accuracy of the simula-tion The results show that the modified stiffness expression is more suitable for the stiffness calculation when the rubber componentfails，and the failure cause of the leaf spring rubber bearing can be effectively found by combining simulation and experiment At thesame time，some experimental data were accumulated in the process of failure analysis of the bearing，which also provides basic prepa-rations for the later optimization Keywords leaf spring rubber bearing;stiffness correction;simulation analysis;test experiment板簧橡胶支座是重型运载车辆减振系统的重要组成部分，起到缓冲上部荷载对汽车悬架的冲击力，降低上部荷载对汽车悬架的损坏的作用。橡胶支座作为固定于一定位置的支承部件，具有良好的减振效果，因此橡胶支座在汽车、桥梁、铁路等方面得到广泛的应用 1-3。然而由于橡胶支座的工作环境多变，以及其他不确定因素的影响，橡胶支座容易产生故障而损坏 4-5。板簧橡胶支座故障会导致运载车辆无法正常工作，因此对橡胶支座的失效形式分析并找出故障原因，对橡胶支座的优化具有重要的意义。国内外学者针对橡胶支座做了大量的研究。Sheikhi 等6 对钢环橡胶支座的有效水平刚度、能量耗散、等效黏性阻尼和残余变形进行了研究，结果表明支座中的能量耗散主要表现为由于环的弯曲变形而产生的屈服。Xra 等7 在各种轴向载荷下对具有各种形状因素的轴承进行了测试，比较它们出在抗压刚度和力-位移的关系，研究表明，界面间摩擦因数的增加可以增加形状系数相对较高的轴承的抗压刚度。刚度和阻尼是评价橡胶支座减振性能的重要参考依据8。ahnavard 等9 通过有限元投稿网址:www stae com cn方法对橡胶支座进行模拟分析，结果表明准静态方法对于数值测量橡胶支座的稳定性极限具有有效性。高北雄等10 利用 SolidWorks 软件与 ABAQUS完成了改进型“抬轿”式橡胶阻尼减振装置的设计，结果表明所设计装置经实车及工业性试验，使用效果良好。通过对橡胶支座进行仿真分析，可直观地体现出在工作工程中，支座的应力、应变、刚度以及阻尼的变化情况11-12。董婉婉等13 对高阻尼橡胶支座施加正弦激励波进行了压剪性能试验，并分析剪切应变和竖向压应力对支座性能的影响。张恩超等14 分析了支座的滞回曲线，骨架曲线和水平刚度退化曲线。结果表明:竖向力的变化会对支座的整体水平刚度和水平承载力产生一定程度的影响。对支座进行刚度退化分析，可预测橡胶支座的使用寿命，从而判断支座的经济性15。李林珊等16 对刚性滑板-复位橡胶隔振支座的力学性能进行了试验研究，结果表明支座的塑性变形能力较强，具有很好的耗能性，在小剪切位移下是一种稳定性良好的隔震支座。通过实验验证了橡胶隔振的性能，但没体现出橡胶支座的寿命及大变形情况17。现结合上述研究，对橡胶支座的失效形式进行调研，对橡胶支座的刚度公式进行修正，降低橡胶支座刚度误差。通过模拟仿真分析橡胶支座的失效原因，并通过实验验证理论及仿真的准确性。1失效形式实际调研板簧橡胶支座是汽车悬架与板簧之间的连接部分。支座主要作用是将上部板簧的载荷平稳地传递给汽车悬架，并同时承受由板簧荷载引起的形变。以及减小对汽车悬架的振动，减轻各种不利因素对汽车悬架的破坏。由于板簧橡胶支座的工作环境比较恶劣，且受到多方面的因素影响。大量损坏的板簧橡胶支座使企业承受了巨大的经济损失，其中包括支座成本、维修换装成本以及误工成本等。通过对重汽集团的板簧橡胶支座的调研发现橡胶支座总成整体的故障率为 10.2%，对售后返回的 786 件故障旧件进行拆检分析，对板簧橡胶支座的失效故障种类进行统计。通过拆检发现板簧橡胶支座的失效形式有偏斜变形、胶体开裂、中心螺栓断裂及内板断裂等，具体故障部件数量如表 1 所示。由表 1 可知，在橡胶支座出现的各种故障中，偏斜变形和胶体开裂两类占到 91.35%，是主要的故障模式。其中单独对胶体开裂进行统计，分析每层的橡胶开裂情况。下端钢板处胶层为第 1 层，开胶层数分布如图 1 所示。根据统计情况可知，橡胶部表 1橡胶支座故障信息表Table 1ubber support information table故障模式故障数量总体占比/%偏斜变形2933728胶体开裂4255407中心螺栓断裂35445内板断裂25318异常损坏8102合计78610000图 1胶体开裂层数统计图Fig.1Statistical diagram位第 1、2、3 层开裂较多，开胶层集中在下端钢板一侧，这 3 层综合累计占比 70.69%。基于上述的调研结果，对板簧橡胶支座进行有限元分析，模拟出支座在工作过程中的整体形变状况及位移-荷载滞回曲线。针对中心螺栓断裂与内板断裂支座内部故障问题，通过 ANSYS 力学分析来直观展现出失效原因。2橡胶支座力学分析2.1支座刚度及阻尼系数理论分析板簧橡胶支座的刚度 K 和阻尼系数 C 是判断支座抵抗外力产生形变的能力、减震能力以及能量耗散能力的重要依据18。刚度的计算公式如下。K=EcAT(1)Ec=1Eap+1E()1(2)Eap=E0(1+2S21)(3)S1=Dr D14T(4)式中:Ec为压缩弹性模量;A 为有效面积;T 为支座竖直高度;Eap为表观弹性模量;E为体积弹性模量;E0为弹性模量;为弹性模量修正系数;S1为第一形状系数;Dr为橡胶层直径;D1为橡胶层内径。75122023，23(5)郝慧荣，等:基于有限元的板簧橡胶支座失效形式分析投稿网址:www stae com cn板簧橡胶支座受到竖直方向的压力时，支座的主要承压部分分为橡胶部分与钢材料部分，钢材料部件发生的弹性形变量比较微弱可忽略不计，但由于橡胶材料的弹性形变量较大，使有效面积 A 与压缩弹性模量 Ec改变，式(1)会对板簧橡胶支座的刚度计算产生较大误差。因此需要对橡胶部分的刚度进行修正。支座的橡胶部件由多个橡胶夹层组成，当压力过大时会使橡胶部件的边缘处过度膨胀(图 2)，图 2(a)为橡胶夹层初始位置，图 2(b)为橡胶夹层受力过程状态，图 2(c)为橡胶夹层超出受力极限失效时的状态。橡胶处于极限位置时，内置钢板边缘会对橡胶边缘处进行切割，加快了橡胶支座的胶体开裂。当橡胶夹层发生膨胀变形时，橡胶部件的等效刚度与压缩模量同样发生了变化。对于单个橡胶夹层边缘膨胀变形的外部轮廓与椭