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发动机悬置软垫强度有限元分析

发布于:2022-08-22 22:09
有限元分析

      发动机作为运输车辆的动力源,其固定支架与车架之间装有橡胶悬置软垫,作用主要是减缓车身、车厢的振动和保证万向传动装置的平稳运转,保障乘坐的舒适性,提高汽车的使用寿命。如果这类软垫失效(破损、断裂或者脱落),则使发动机与车架呈刚性联接,失去减振和缓冲作用,无法吸收车辆行驶中的颠簸,发动机运转时将发生振抖,而且在汽车加速和制动时,发动机前后窜动,容易导致机件破裂。但是在日常维护作业中,由于软垫工作位置等方面的原因,车主和维修人员往往忽视对底盘悬置软垫的检查和维护。到失效后才知道,造成经济损失。
      文中分析直列六缸柴油机悬置软垫工作过程中的受力情况,建立软垫的有限元分析模型,考虑橡胶材料的力学特性,将软垫定义为超弹性材料模型,计算得到软垫横截面上应力强度的分布规律,并对软垫在循环载荷作用下的交变应力强度进行分析,确定软垫的疲劳源位置,对最终的断裂面进行预测。
      文献给出四冲程柴油机单个气缸一个工作周期内曲柄销所受的侧向力和法向力的变化情况。直列六缸机六个气缸合成后的力通过空间力学原理计算后,发动机机体水平和垂直方向的载荷分力在悬置软垫支承处的变化曲线。发动机气缸压力测量间隔角为0.5,曲轴两转中共测了1440次。图中所示为发动机某一转速时所测数据,软垫位置不同、发动机转速不同,在图中所表现的不同之处仅在于曲线的幅值。
      悬置软垫所用材料为天然橡胶。橡胶变形时具有几何非线性和不可压缩等特点,将材料考虑为超弹性材料模型,并假设材料为各向同性和等温性的。超弹性材料的本构模型通常以应变能势函数表示,应变能势函数以应变不变量或主伸长率表示。在已有的几种本构理论中,取两参数Mooney-Rivlin应变能密度函数。
      用于进行有限元分析的悬置软垫中橡胶体的单元类型为HYPER58。这是一种八节点单元,用于三维超弹性固体结构建模,适用于具有任意大位移和应变的近乎不可压缩的橡胶类材料。而其中钢板所选用的单元为八节点三维块单元SOLID45。
      前后悬置软垫的示意图及其单元模型,由于结构及受力的对称性,后软垫的半个模型,YOZ为结构的对称面。在有限元计算时,为防止由于橡胶体的大变形而引起结构自接触,需要在相应节点的相应方向上施加位移约束。在每个模型的钢板和橡胶接触面上建立接触对,类型为永不分离的粘结,这主要是为了和零件的制造要求(发生断裂时,钢板上必须有附着的橡胶)相协调,保证结构断裂不会沿着两种材料的界面发生。加载时前软垫的载荷沿:向加在螺栓和销钉的相应节点上,沿Y向加在钢板的相应节点上;后软垫的载荷加加载面的相应节点,沿平行和垂直于加载面两个方向对结构进行分析,结果表明,整个加载过程中,平行于OZ平面的所有平面上应力分布情况是一致的。
      前后悬置软垫中与YOZ面平行的一个面上的应力强度分布云图中可看出,结构在垂直于X轴方向的每一个面内,有两个区域内的应力强度相对比较大,分别位于橡胶与上下两块钢板交界面处,结构使用时这两个区域是疲劳失效最先发生的地方,成为结构的疲劳源。从图中还可看出,平面内结构的应力强度呈明显的带状分布,虽然橡胶与钢板的接触面附近橡胶体的应力强度比较大,但制造要求不允许沿两种材料的交界面裂开,因此,断裂应该是首先发生在图中1和2所示的位置,然后沿着两者连线斜向扩展,最终的断裂面是贯穿图中A区的斜面。


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