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橡胶衬套静态特性计算测试相关性分析

叶必军段小成严妮娜潘孝勇

（宁波拓普声学振动技术有限公司，宁波，315806）

摘要：本文首先选取了几种常见结构衬套作为研究对象，并采用合适的橡胶超弹性本构模型在ABAQUS软件中计算其三向

静刚度；然后采用同一种胶料分别硫化四种衬套并在MTS833弹性体测试平台上测试得其力-位移曲线；最终将衬套的静刚度计算

值与测试值进行对比研究，结果表明在ABAQUS中可对橡胶静态性能进行较为准确的模拟，具有较高的工程价值。

关键字：橡胶衬套、有限元分析、测试、ABAQUS

1概述

橡胶减振器被广泛地应用于汽车减振系统，如动力总成悬置、底盘衬套和排气管吊耳等。在这些系统中，橡

胶减振器的线性静态性能主要为满足系统的减振性能要求，橡胶减振器的非线性静态性能则为满足系统的位移控

制要求。因此，为了满足系统的减振性能和位移控制要求，须对零件的结构和橡胶配方进行设计和优化。所以在

设计初期，如何利用数值计算技术来准确地预测零件的静态性能，就变得极为重要。

对零件的静态特性进行预测涉及诸多方面,如材料本构模型的选择、材料模型参数的获得、计算方法的选择等，

需要根据企业实际情况建立橡胶减振件的计算规范，以期获得一致而精确的结果。为获得准确的结果，进行计算

与测试的相关性分析就显得尤为重要。本文通过选取具有代表性的典型衬套结构，进行静态性能的计算与测试，

以期验证计算的精确度。

在此相关性研究中，选取了具有代表性的橡胶减振件零件即橡胶衬套作为研究对象，选用天然橡胶N50作为

硫化原材料来制作样件，采用MTS833三轴向试验台测试获得其三向准静态性能曲线，使用ABAQUS软件计算

了样件的静态刚度，用统计的方法对比了测试与计算的相关性。

2橡胶衬套结构与静态性能测试

2.1典型橡胶衬套结构

根据工程应用经验，筛选了最为常用的四个衬套结构作为研究对象，如

图1所示。

图1四种衬套结构

衬套A为橡胶衬套减振件中最基本的结构形式，左右主簧呈60～150度夹角，使衬套在Z向运动时主簧主要

受拉压载荷，并通过合适地安装使衬套在常用载荷时受压，以提高结构疲劳性能。衬套B对橡胶主簧进行了变形

处理，设计成斜十字交叉共四根主簧。衬套C修改了衬套芯子的结构，适合于单侧芯子连接，经常作为支撑减振

器结构。衬套D考虑了左右主簧夹角中一定厚度橡胶衔接的状态，主要为实现三向刚度比例的同时获得较好的疲

劳性能。

为便于说明和数据统计，这里对衬套的参考坐标系做统一规定，X向为侧向，Y向为芯子轴向，Z向为衬套

主方向，如图2所示。

Z

X

图2参考坐标系的定义

2.2橡胶衬套样件与静态性能测试

为获得具统计意义的数据，对零件静态性能测试方法做了统一要求。测试设备为MTS833三轴向试验台，

可利用同一套工装测试衬套三向静刚度曲线，如图3所示。

图3MTS833三轴向试验台

为保持测试数据的可靠性与一致性，在橡胶衬套样件制作与测试过程中进行如下定义：

1、为了避免橡胶配方不同导致的性能差异，零件制作时均使用天然橡胶N50；

2、为保证分析模型与实际样件几何参数一致，不对零件进行缩径处理，且在无预载状态下进行刚度测试；

3、定义测试载荷范围，X向加载力的范围为-1000N至1000N，Y向加载力的范围为-500N至500N，Z向加

载力的范围为-3500N至3500N；

4、为降低橡胶材料粘弹性对橡胶静态性能测试的影响，定义加载控制为速度控制，速度为0.15mm/s；

5、因主要关注衬套线性静态性能，定义零件线性刚度取值范围为在自由状态下-150N至150N；

6、基于统计原则，每个衬套结构均采集了三个样本的测试数据。

3衬套静态性能计算

考虑到ABAQUS软件拥有丰富的材料本构模型，较强的非线性分析能力，以及强大的接触算法，因此选择

ABAQUS作为橡胶衬套静态性能计算工具。橡胶材料的超弹性本构模型选用Mooney-Rivlin模型。对于天然橡胶

N50，其参数为C10=0.2897，C01=0.0599。

由于橡胶是一种近似不可压缩材料，在隐式解法中橡胶单元类型通常选用C3D8RH和C3D8H，而C3D8H有

更佳变形能力，适合于计算大变形或接触分析。这里网格类型采用C3D8RH（一阶六面体减缩杂交单元）。

衬套线性静刚度是由主簧结构和橡胶类型决定的，因此在建模过程中仅对衬套主簧进行网格划分。考虑到衬

套内外管均为金属结构，如铝合金、20#钢等，刚度远高于橡胶主簧，因此在建模过程中均刚性处理。内管与橡胶

主簧硫化结合处，用刚性单元将衬套弹性中心与之关联，作为激励加载端。外管与橡胶主簧