文档介绍：第六章液阻悬置液-固耦合非线性动力学仿真分析
本章利用液-固耦合非线性有限元分析方法对液阻悬置的动特性进行仿真。首先,以二维阻尼孔式液阻悬置为研究对象,论述了液阻悬置液-固耦合分析的建模、分析方法,和可以得到的基本结果。建立了惯性通道-解耦板液阻悬置三维液-固耦合有限元分析模型,对其静、动态特性进行了分析,并和实验值进行了对比。计算分析了液阻悬置液室上下液室和惯性通道中的压力分布,以及惯性通道中流体流动的速度分布,结果表明,液阻悬置在工作时,上下液室的压力分布几乎是均匀的,因此在集总参数模型中,将上下液室的压力假定为均匀分布是合理的;通过对惯性通道液体流动速度的分析,得到了与液阻悬置减振机理一致的结论。建立了惯性通道-解耦膜液阻悬置液-固耦合有限元分析的模型,对其特性进行了初步分析,表明液-固耦合有限元分析,对于其它类型液阻悬置特性的分析也是可行的。
汽车工业中有大量的用于减振和传递动力的液压元件,在这些液压元件中,均存在着液体与弹性结构的相互作用问题。为了建立其精细的CAE模型,必须考虑液体与固体的相互作用,而目前在这方面的研究并不多。本章虽然是用液-固耦合有限元分析方法对液阻悬置的动特性进行分析,其研究方法也适用于其它液压元件静、动态的分析(如汽车制动器ABS,筒式减振器等)。
液阻悬置二维液-固耦合有限元分析
本节建立节流阻尼孔式液阻悬置二维液-固耦合有限元分析的模型,论述液阻悬置液-固耦合有限元分析的基本方法和可以得到的分析结果。
图6-1为节流阻尼孔式液阻悬置二维液-固耦合有限元分析模型。在固体的有限元模型中,橡胶主簧和底膜由橡胶材料制成,选用Ogden 3阶超弹性本构关系描述其力学性能,液体的密度和粘度视为常数。液体与固体的接触面(线)定义为液-固耦合边界(FSI边界)。在液体的模型中,上液体的底面、下液室的上面和阻力孔两侧的面定义为刚性不可滑移的壁面。
在对液阻悬置的动特性进行分析时,首先在橡胶主簧的上表面施加一预载荷,然后再施加一正弦位移激励。加预载(5mm)后,固体与液体网格的变形和液室的压力分布见图6-2。由图可见,加预载后,上下液室有一定的预压力,且均匀分布。
(a) 固体模型
(b) 液体模型
图6-1 液阻悬置二维液-固耦合有限元模型
(a) 固体
(b) 液体(N/m2)
图6-2 加预载后固体和液体模型的变形
当动态的激振振幅为1mm,激振频率为10Hz时,在某一时刻,液室的压力分布和液体流动的速度分布见图6-3,可见,在阻尼孔附近液体的流速较大。图6-4为激振位移-动反力曲线,由图可见,由于阻尼孔的节流,使动反力和激振位移之间具有一定的迟滞效应。
(a) 压力分布(N/m2)
(b) 速度分布(m/s)
图6-3 液室的压力分布和速度分布
图6-4 动反力-位移曲线
惯性通道解耦板液阻悬置三维液-固耦合有限元仿真分析
固体的有限元模型由橡胶主簧、底膜和解耦板组成,如图6-5所示。橡胶主簧和底膜的材料为橡胶,其性能参数相同。图6-6为Buick轿车用液阻悬置橡胶主簧的结构图,在橡胶主簧中有金属插入件,起承载和传力的作用,与橡胶的变形相比,金属的变形可以忽略不计,因此,在橡胶主簧的模型中不包括该金属插入件,而只需施加相应的约束方程。液阻悬置的动特性主要是指垂直方向的动刚度和滞后角,因此橡胶主簧的边界条件为:令与金属件硫化在一起的平面A、
B、C和D面上所有的结点在Z方向上位移相等,同时令这几个平面上所有结点在XY方向上的位移为零;橡胶主簧的外表面(E面)与金属硫化在一起,并且该金属件固定安装在车身上,因此令该面上所有结点的位移为零。橡胶材料选用超弹性本构关系中的3阶Ogden模型,该模型仅能描述其弹性特性,由于橡胶主簧的滞后角随激振振幅和激振频率的变化不大,并且滞后角一般在20~80之间,因此在橡胶主簧的模型中,将其滞后角视为常数。
(a) 几何模型
(b) 有限元模型
图6-5 固体的模型
图6-6 橡胶主簧的剖面图
图6-5中的解耦板为刚性的板,仅能在Z方向的自由行程内运动。当解耦板在其自由行程内运动时,作用在解耦板上的力只有液体的阻尼,而当其达到上、下极限位置时,上下液室的隔板给解耦板一个很大的反力而使得解耦板的运动停止。为了描述解耦板的这种运动特性,在解耦板与固定点之间连接一个非线性弹簧,弹簧的刚度为
(6-1)
式中为解耦板运动的位移,Δ为解耦板自由行程之半,、为正的常数,且为偶数。
在固体的有限元模型中,橡胶主簧和底膜的内腔平面与液体相接触的面定义为液-固耦合面;解耦板的上下表面与液体相接触,也定义为液-固耦合面;底膜的上平面为固定面。
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