履帶車輛橡膠襯套有限元分析

張 磊， 盧浩博

(神華寶日希勒能源有限公司，內蒙古 呼倫貝爾 021000)

0 引言

履帶式車是一種適用于山地、沼澤地、沙漠地區等復雜地形的多功能特種越野車。由于工作條件惡劣，因此要求其具有較好的通過性、機動靈活性和良好的抗震性。目前，履帶式工程車輛中支重輪和車架、主梁之間常用焊接等固定聯接方式，車輛在惡劣路面的行駛過程中會產生非常復雜的激勵，引起強烈振動，無法滿足車輛平順性要求。

為解決現有履帶車輛存在的缺陷，可將支重輪與主梁之間的剛性連接改為采用橡膠襯套的彈性連接。橡膠襯套作為一種常用的減振元件，已被廣泛應用于車輛的行走系統和底盤懸架中。隨著有限元分析技術的迅猛發展，許多有限元仿真軟件如ABAQUS、ANSYS等都建立了橡膠模型，不僅簡化了計算過程，提高了計算精確度，而且分析結果與試驗值和實驗值相近。通過實驗，Charlton等[1]驗證了使用有限元軟件分析擬合橡膠材料特性的準確性，并對超彈性理論進行了討論和描述。Miehe等[2]建立了Mooney-Rivlin、Maxwell及Valanis的橡膠超彈性、頻率相關性和摩擦特性的有限元組合模型。Gil-Negrete等[3,4]對橡膠進行了動態特性分析，結果表明在準靜態條件下橡膠塊的等效應變計算誤差是影響分析結果精確性的主要因素，利用ABAQUS和最小二乘法擬合出了橡膠材料的彈性、黏彈性以及彈塑性的有限元疊加模型。潘孝勇等[5,6]在ABAQUS中建立了橡膠襯套的黏彈性-超彈-彈塑性有限元模型。

總體來說，雖然近些年我國對橡膠材料特性研究進展迅速，但是研究材料依然很少，需要更多的學者、機構花費大量的時間進行研究，以填補國內對橡膠材料特性研究的空缺。本文利用有限元技術，分析了某軍用車輛橡膠履帶行走系懸架中橡膠襯套的靜、動力學行為特性。

1 橡膠襯套的建模

橡膠是一種彈性非常高的高分子材料，在外力作用下有著高度的變形能力，可以發生可逆形變；由于橡膠具有黏彈性的性質，所以橡膠發生形變時內部會產生阻力。這樣，當外界施加載荷于橡膠元件上時，可以很快地減弱其引起的振動。同時，橡膠在受力過程中能被看作只有形狀改變而體積幾乎無變化的不可壓縮性材料。

本次就某履帶式車減振底盤展開研究，提取其中橡膠襯套，在SolidWorks中建立簡化模型，如圖1所示。

圖1 橡膠襯套模型

本次研究根據所給參數以及查閱大量文獻，最終確定使用3階Ogden模型和3階Prony級數模擬橡膠材料的超彈性和黏彈性力學特性，具體參數如表1和表2所示。

表1 3階Ogden模型參數

表2 3階Prony參數

2 橡膠襯套的力學分析

2.1 靜力學分析

對橡膠襯套的靜態特性研究采用通用分析步，初始分析步中把主梁上的一些面固定，并且對主梁-軸，橡膠襯套-軸進行Tie固定連接；在第一個分析步中給軸分別施加三個軸向位移，即X=4 mm，Y=5 mm，Z=3 mm，初始增量設為0.3 s，持續時間為1 s。分析得到的應力云圖見圖2。

由圖2可以看出：橡膠襯套在X、Y、Z方向上的靜力分析最大應力分別為1.649 N/mm2、2.117 N/mm2、0.312 3 N/mm2。其中，X、Y方向上以壓縮為主、Z方向上以拉伸為主，所得值均在合理范圍內，故橡膠襯套在安全范圍內。

圖2 橡膠襯套的靜力分析得到的應力云圖

2.2 動力學分析

對橡膠襯套進行動態特性分析時，使用一個顯式分析步，在該分析步中分別施加沿X、Y、Z方向上幅值為1 mm、持續時間為0.002 5 s的位移正弦激勵信號，分析得到的應力云圖如圖3所示。

由圖3可以看出：橡膠襯套在X、Y、Z方向上的動力分析最大應力分別為1.618 N/mm2、1.622 N/mm2、0.386 2 N/mm2。按照本文的加載，橡膠襯套接近危險工況，動載荷顯然比靜載荷對橡膠的影響更大。

圖3 橡膠襯套的動力分析得到的應力云圖

3 模態分析

本次研究對橡膠襯套進行兩種狀態下的模態分析，即橡膠襯套單獨分析和裝配體分析。這兩種狀態下其前20階振型的模態特征值和固有頻率分別如表3和表4所示。

表3 裝配體分析下橡膠襯套的模態特征值以及頻率

由表3和表4可知，裝配體分析下橡膠襯套的前20階振型的固有頻率在179.15 Hz～215.05 Hz之間，這是因為約束多，系統的剛度大，固有頻率也較大；單獨分析下橡膠襯套的前20階振型的固有頻率在0.029 Hz～0.094 Hz之間，這是由于橡膠襯套的約束面少，導致其剛度較小。

表4 單獨分析下的橡膠襯套的模態特征值以及頻率

4 研究展望

基于本次對橡膠襯套的研究過程，在以下幾個方面還可以進行更深入的探索：

(1) 本論文對橡膠-主梁、橡膠-襯套進行了Tie約束，并未細節地模擬出真實情況。若能在軟件中設置多個分析步，將橡膠襯套過盈配合到主梁中去，能夠得到更精確的結果，提高徑向剛度。

(2) 本文在對橡膠材料超彈性和黏彈性進行設定時，沒有準確地模擬出參數。若根據橡膠襯套的試驗數據擬合出參數，結果會更加精確。

(3) 本論文對橡膠襯套進行了靜、動、模態分析，但對整體的剛度研究還處于探索階段。