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原文传递橡胶弹簧力学性能分析与橡胶悬架结构优化

论文题名：	橡胶弹簧力学性能分析与橡胶悬架结构优化
关键词：	橡胶悬架;橡胶弹簧;本构模型;有限元;力学性能;结构优化
摘要：	对于重型车辆，其行驶工况往往较为恶劣，悬架系统则决定其行驶过程中的平顺性与可靠性。因此，许多新型悬架不断被应用在重型车辆中，橡胶悬架主要采用一对橡胶弹簧作为承载与减振元件，利用橡胶材料独特非线性特性，可以达到良好的行驶特性。与其他类型悬架相比，橡胶悬架还具备自重轻、免维护、低成本特点逐渐被广泛关注。本文以某公司正在研发的一款橡胶悬架为研究对象，针对橡胶弹簧与均衡梁总成展开研究。主要研究内容如下所示: 　　1、总结橡胶材料的本构模型理论，结合橡胶材料力学试验，获得本构模型参数。对橡胶试样进行单轴拉伸试验，依据不同超弹性本构模型对试验所得应力应变数据进行拟合，通过对比，选取拟合效果最优的Ogden本构模型，得到超弹性本构模型参数。对橡胶材料进行动态热机械分析试验(DMA),获取橡胶材料动态模量数据，依据广义Maxwell粘弹性本构模型，利用最小二乘法对试验结果进行参数辨识，得到粘弹性本构模型参数。　　2、橡胶弹簧是橡胶悬架系统中最为重要的承载减振元件之一，建立橡胶弹簧有限元模型，依据超弹性与粘弹性本构模型参数，结合试验对橡胶弹簧进行力学性能分析。采用静力学对橡胶弹簧进行静特性分析，对比静刚度试验结果，两者误差为4.6％。采用隐式动力学对橡胶弹簧进行动特性分析，获取在不同频率与不同幅值条件下的滞回曲线，利用椭圆法计算出动刚度值，结果表明动刚度会受幅值与频率的影响，结合动刚度试验结果，动刚度最大误差为6％。最后依据橡胶弹簧静动特性分析结果，建立橡胶弹簧的受迫振动模型，计算系统在具体工况下的动力响应。　　3、对于橡胶悬架，金属结构件的结构性能决定橡胶悬架使用的安全性。利用有限元分析方法、电测应变技术以及位移测试系统对均衡梁总成的结构性能进行分析。建立均衡梁总成有限元模型后，对均衡梁总成进行满载弯曲、紧急转弯、紧急制动以及满载扭转四种工况下的静力学仿真，分析结果表示均衡梁总成能够满足基本使用要求。采用电测应变技术与位移测试系统对均衡梁总成进行满载弯曲工况下的试验分析，对比仿真结果，误差在允许范围之内，验证了有限元模型的可靠性。　　4、轻量化设计一直是汽车领域主要发展方向，对橡胶悬架中质量占比最大的均衡梁总成进行结构优化具有潜在应用价值。采用变密度法对均衡梁总成结构进行拓扑优化设计，以最小应变能为目标函数，以体积百分比作为优化约束，得到不同工况下的拓扑优化结果。结合实际工作需求与机加工特点，制定优化方案，优化模型重量较原模型减轻7.9％。对优化模型进行静力学校核，校核结果表明优化模型能够在实现轻量化的基础上提高结构性能。
作者：	付坤盛
专业：	机械工程
导师：	姜世杭;瞿绘军
授予学位：	硕士
授予学位单位：	扬州大学
学位年度：	2023