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CAE技术在橡胶悬置静刚度设计中的应用 来源：3D动力????2012-04-07 21:10???? 摘要：本文利用拓扑优化技术对橡胶悬置主体部分进行设计，并运用ABAQUS软件对优化设计模型进行静刚度仿真分折，在节省材料的前提下改进静刚度性能。改进后橡胶悬置的静刚度实测结果与仿真结果较接近，产品的静刚度性能符合 橡胶悬置是指动力总成（包括发动机，离合器及变速器）与车架/底盘之间的弹性连接件，不仅可以减少发动机向车架传递的振动，降低整车振动和噪声，改善乘坐舒适性，而且可以喊小路面激励对动力总成的振动破坏，保证动力总成工作安全性，延长其使用寿命。 ??? CAE技术在汽车零部件产品开发中的应用非常广泛，与传统的橡胶悬置设计方法相比，CAE设计不仅可以减少试制开模的次数，缩短产品开发周期，而且可以节约开发成本。 1 产品设计要求 ??? 图1所示为要求设计的橡胶悬置原模型结构，橡胶主体的内外表面分别与铸铁内管、外管共硫化。橡胶主体的主要尺寸包括高度、内径和外径。产品静刚度(K)性能主要对轴向(KX)和Y向(KY)有要求，对Z向不作要求，具体数值见表1。 图1 原悬置模型 表1 橡胶悬置静刚度要求 2 原模型静刚度的有限元计算 ??? 2.1 橡胶主体的网格划分 ??? 利用HyperMesh中的spin功能将橡胶主体部分划分成六面体单元，如图2所示。将划分好的网格导出inp格式文件，提交ABAQUS作进一步分析。 图2 原悬置橡胶主体的有限元模型 2.2 静刚度有限元计算 ??? 在ABAQUS中对有限元模型使用M-R模型描述其超弹性属性，采用邵尔A型硬度为70度的橡胶。 ??? 橡胶体内表面与铸铁内管硫化在一起，因此把该表面上所有的节点与所建立的一个参考点（一般取内表面的中心点）通过刚性连接耦合在一起，并以该参考点作为加载点，在加载点施加X方向的位移，通过计算可获得该点的反力。 ??? 外表面与铸铁外管硫化在一起，且该外管固定在一个安装孔内，因此，在进行边界条件定义时，可令外表面上所有的节点位移为零。 ??? 有限元计算完成后，可以得出X方向的位移及其对应的反力，得到的刚度曲线如图3所示。经计算KX为559.3N·mm-1，小于产品该方向的静刚度要??。 ? 图3 有限元计算原悬置结构X方向刚度曲线 ??? 同理，计算出KY为2111.2N·mm-1，大于产品该方向的静刚度要求。 ??? 有限元计算结果表明，原悬置结构静刚度不能满足产品性能要求，需要进行重新设计。 3 产品设计思路 ??? 选择综合物理性能较好的邵尔A型硬度为60度的橡胶。通过对原悬置模型的有限元计算结果分析可知，要满足产品的静刚度要求，需要提高KX、降低KY。 ????3.1 悬置内管设计 ??? 提高悬置轴向刚度的方案有2个；一是使悬置内管中间部分外凸，如图4(a)所示；二是在悬置内管外围中间焊接一个环形铜板，如图图4(b)所示。 ? 图4 悬置内管改进设计方案 ??3.2 橡腔主体的优化设计 ??? 运用Hyperworks中的Optistruct模块，在节省材料的前提下，对橡胶主体进行优化设计，基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法对其进行优化。单元相对密度范围为0.01～1。拓扑优化时，必须先确定设计区间和非设计区间。设计区间即需要拓扑优化的区域，本设计将橡胶主体作为设计区间。 ??? 由于目前Optistruct模块尚不支持超弹性材料，因此将橡胶材料的弹性模量(E)设置得比较小，使之可以产生较大的变形来近似模拟橡胶材料的特性。设置橡胶材料的E为1000MPa，泊松比为0.2。在橡胶主体的参考点施加的载荷为6000N，橡胶主体的拓扑优化有限元模型如图5所示。 图5 拓扑优化有限元模型 ??? 利用Optisiruct模块求解器计算后，得出的拓扑优化结果如图6所示。 图6 拓扑优化结果 ??? 将拓扑优化结果通过Optistruct模块提供的OSSmooth工具进行提取，它可将拓扑优化结果以iges格式直接输出，输出后的几何模型如图7所示。 图7 经OSSmooth提取的几何模型 ??? 根据橡胶主体的拓扑优化结果，结合内管的设计方案，在NX中对原模型进行修改，得到初步改进设计模型，如图8所示。 图8 初步改进设计模型 通过有限元计算，初步改进设计模型的KY，偏低。继续对模型进行若干轮的修改和有限元计算验证后，最后根据内管设计方案的不同确定a和b两个模型，分别如图9和10所示，其静刚度有限元计算结果均满足产品要求。 ? ??? 图9 最终改进模型a 图10 最终改进模型b 4 验证试验 ??? 考虑到内管加工的难易程度及成本因素，最终决定选用模型b进行试制，试样在MTS831型弹性体试验机上进行静刚度测试。 ??? 试样静刚度实测值与仿真