2.2有限元计算的初始条件
有限元计算的初始条件包括材料、单元属性、施加约束和载荷等,该分析中涉及到超弹性材料的减震胶套、胶套与相连部件的接触,故使用非线性计算方法。
2.2.1材料特性
筒体主体结构和前后悬挂连接板采用普通的碳素结构钢ST12,分析中可以仅用杨氏模量和泊松比表示材料的应力一应变关系,其杨氏模量E = 210 000Mpa,泊松比v----0.28,密度P----7 800 kg/m3。
减震胶套是橡胶材料,材料的应力一应变关系是非线性的,并在外力作用下发生大位移或大应变,其材料性能接近于超弹性材料,对于超弹性材料,本构关系复杂,需用应变能W来描述材料特性。橡脸的本构模型种类很多,一般有二项Mooney-Rivilin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Ogden模型等,均基于连续介质力学理论。其中二项Mooney----Rivilin模型不仅适用于经典的小变形线性弹性范围,而且适用于更大范围的形变;Neo----Hookean模型较为简单,在小应变内与试验结果吻合很好;Yeoh模型在较大应变范围内有很好的模拟结果;Ogden模型适用干小的或相当大的体积变化。因本文分析的减震胶套变形并不是很大,所以采用二项Mooney----Rivilin模型就可以得到很好的模拟分析精度。
二项Mooney-Rivilin模型应变能函数表达式为:
式(2)、 (3)中的λ1、λ2、λ3表示材料沿各边的伸长率。
C10和C01是材料常数,通过材料的基本试验获得。针对本消声器使用的减震胶套分别进行了径向和轴向力学试验,所得的曲线分别如图3、图4所示。
从图3和图4可以看出,在整个载荷加载过程中,胶套的径向刚度近似为线性状态;对于轴向刚度而言,载荷较小时为线性状态,加载到一定值时为非线性,当继续加载则胶套达到轴向限位状态,此时减震胶套的刚度取决干结构的刚度。
通过上面的胶套材料基本试验,结合最小二乘法理论拟合基于二项Mooney---- Rivilin模型的材料本构参数,获得C10=0.563 1,C01=0.046 23。
2.2.2边界条件
非线性有限元分析中边界条件的施加包括接触对的定义、载荷和约束的施加。
a)定义接触
结构中后悬挂采用柔性连接方式,该处的结构会影响到消声器其他区域的强度,故此处模型的建立是整个分析的关键之处。结构包括后悬挂支撑板、减震胶套、衬管、螺栓、简化的右脚蹬板外壳,模型中共建立了5个接触对:后悬挂支撑板一螺栓、后悬挂支撑板一衬管、衬管一螺栓、衬管一减震胶套、减震胶套-简化的右脚蹬板外壳,接触属性全部设定为沿表面法向受力。
b)约束边界条件
有限元计算时,为求解刚度位移矩阵,必须消除结构的刚体位移以保证刚度矩阵的非奇异,得到正确的数值解。合理选择节点并对节点自由度加以边界约束,是正确模拟消声器强度的关键。这里完全固定与发动机相连的排气管连接块、前悬挂支撑安装孔、简化的右脚蹬板外壳的自由度。