算例丨基于Abaqus的某汽车动力总成橡胶悬置结构应变与疲劳分析
动力总成悬置系统重要功能之一是动力总成支撑和定位的作用。根据整车空间及减振的需要，发动机被支撑在几个悬置上，在发动机本身振动和外界作用力驱动下，发动机和底盘之间存在着相对运动。因此悬置系统具有控制发动机相对运动和位移的功能，使发动机始终保持在相对稳定和正确的位置上，而不能让发动机在各方向运动中与底盘、车身上的零件产生干涉和触碰。对于悬置系统而言，其疲劳性能的好坏对整车性能影响极大，越来越受到人们的关注。橡胶悬置的疲劳破坏形式以橡胶主簧失效居多，因此橡胶主簧的疲劳对整个悬置系统的寿命起着决定性的作用。今年来随着有限元技术的不断成熟，用有限元法来分析橡胶材料的疲劳破坏被各国学者广泛采用。某动力总成橡胶悬置在台架疲劳中出现橡胶主簧断裂现象，如图1 所示。由图可知，橡胶主簧断裂处位于主簧下侧圆角处。此悬置台架疲劳要求在特定的疲劳工况及特定的试验频率下，橡胶主簧40 万次不出现裂纹，但是试验悬置在27 万次时失效，出现橡胶主簧断裂现象。针对此问题，首先采用ABAQUS 对失效悬置进行刚度与应变进行分析，找出失效悬置主簧断裂与有限元计算结果之间的一致性；然后根据失效悬置与计算结果对原悬置重新进行结构设计，并利用ABAQUS 预测新结构悬置的应变与疲劳特性；最后通过台架疲劳试验验证此悬置的实际寿命。
此悬置为某汽车动力总成前悬置，悬置外管与动力总成侧支架固连接，悬置芯子与车身侧支架固连接，如图2 所示。由于Z 方向是悬置主要受力方向，在台架疲劳试验中，主要对悬置主方向Z 向进行疲劳验证；疲劳试验在MTS 单轴疲劳试验机上通过特制工装分别连接悬置外管及悬置芯子进行试验，作动缸在悬置芯子端加载模拟悬置实际受载。
橡胶材料的弹性特性表现为超弹性行为，其具有某种形式的应变能函数，可通过该应变能函数推导出应力-应变关系。根据不同的应变能函数可得到各种不同的橡胶超弹性本构模型。由于ABAQUS 拥有丰富的橡胶超弹性本构模型、较强的非线性与接触计算功能，故采用ABAQUS 软件对此悬置进行有限元分析。本文的橡胶超弹性模型采用Mooney-Rivlin 模型，通过橡胶材料试验获得其模型参数；网格采用C3D8RH（一阶六面体缩减杂交单元）类型单元。
为模拟实际悬置的真实边界，在ABAQUS 中对悬置进行简化处理，即只生成悬置橡胶主簧的网格，通过约束悬置橡胶主簧外侧（外管硫化）单元节点6 个方向自由度来模拟悬置橡胶主簧约束边界，在悬置弹性中心点建立与悬置橡胶主簧的内侧（与芯子硫化处）单元节点的Coupling 来模拟加载区域，如图3 所示。此动力总成悬置系统为四点支撑结构，发动机侧悬置、变速箱侧悬置及前后悬置，作为前悬置，主要考虑其主方向X 和Z 向的刚度。本文主要考虑其Z 向的刚度要求。
在ABAQUS 软件中计算得到失效悬置Z 向刚度曲线如图4 所示。在悬置线性段，Z 向力-位移曲线测试值、计算值与目标值吻合较好；由于在大位移下橡胶主簧发生较大变形，网格变形严重，计算不易收敛，故一般计算出悬置的拐点即能得出悬置的非线性特性。将悬置测试、计算与目标线性段静刚度分别为71N/mm，65N/mm 与68N/mm，可知计算值和目标值的误差控制在10%以内。
在失效悬置Z 方向加载疲劳工况载荷力（拉压载荷），找出主簧最大应变集中处的应变，如图5 所示。从上图可以看出，在疲劳工况载荷下，悬置Z 向上拉的最大应变是0.436，悬置Z 向下压的最大应变是0.621；采用ABAQUS计算出的应变集中位置与图1 中实际零件疲劳破坏位置一致，在一定程度上说明采用ABAQUS 计算悬置在疲劳工况下的应变来反映其疲劳特性是可行的。
针对老结构悬置的失效，在失效悬置基础上对其结构进行更改，重新设计了另外一种新结构悬置，新老结构差异对比如图6 所示。对新结构悬置按照前述有限元边界与材料本构计算其静刚度，其结果如图7 所示，因橡胶主簧结构未做调整，新结构悬置线性阶段刚度值没有太大变化，通过更改+Z 向限位块，+Z 向刚度曲线拐点靠后了，比老结构更靠近目标值。通过新老结构在相同疲劳工况载荷下的应变统计对比（如表1）结果可以看出，悬置应变集中位置基本没有发生变化；而在在拉伸载荷下，新老结构应变值相差不大，在压缩载荷下，新结构的倒角处的应变相对于老结构，有很大的改善，有利于悬置疲劳。
根据新结构的悬置方案，采用同一批胶料制作新结构悬置，在相同的疲劳条件下对其进行台架试验，新结构悬置承受40 万次疲劳试验后，橡胶主簧没有出现裂纹，达到疲劳目标值。
通过对汽车动力总成某失效悬置与新结构悬置有限元计算、疲劳测试结果对比分析，可以得到以下结论：
(1) 在悬置设计初期可采用ABAQUS 对其静刚度进行计算，并且计算值与测试值具有良好的一致性，两者误差在工程可接受范围内；
(2) 在悬置疲劳预测与整改过程中可采用ABAQUS 计算悬置在实际疲劳载荷下的应变，其计算的应变值与实际零件疲劳次数具有较强的一致性。
