2.3 本章小结
本章对有限元分析法的原理、涉及的重要概念、使用方法和步骤等进行了深度的解析和研究，同时介绍了相应的有限元分析软件的各个模块和使用方法。对大载荷金属橡胶减振器的有限元分析来说，这是十分必要的概念和设计工具的准备。
第三章 金属橡胶减振器的轻量化设计
金属橡胶作为阻尼减振系统最早应用于航空航天，由于航空航天的工作环境相对恶劣，橡胶产品失效更换频率高，金属橡胶应运而生。比如某种型号的航空发动机涡轮叶片中就采用这种阻尼减振系统。该系统在发动机运作时，通过金属橡胶的阻尼作用将叶片的振动机械能转变为热能，以此达到减振的目的。
传统的橡胶减振器承载与变形的关系曲线近似为线性，只能隔离某单一频率成分的振动；从橡胶减振器的物理、机械特性和使用环境看，它只适宜在常温条件下工作，在低温时其性能变脆，不但失去减振作用，且受力后易碎，另外，橡胶也不耐腐蚀、高温等恶劣环境。
金属橡胶减振器是采用不锈钢金属丝网块作为弹性元件的一种新型减振器，它是利用网块在负载作用下的丝间滑移产生的干摩擦阻尼吸收并耗散振动能量，达到减振隔振的目的。该减振器具有变刚度、大阻尼、环境适应能力强等特点。金属橡胶减振器是具有迟滞特性的非线性减振器，它具有软化刚度，摩擦阻尼大，变形较小，一致性好，能有效抑制共振峰，具有极好的隔振缓冲效果。且金属材料减振器具有抗疲劳、耐腐蚀、耐辐射、耐高低温、不老化及长寿命等特点，适应严酷的综合环境工作。作为一种新型振动控制元件，金属橡胶减振器近年来日益受到关注，目前已在航空航天、机械、船舶、交通运输等领域得到了广泛的应用。
金属橡胶减振器目前在国内已有定型产品投放市场，如无锡中策减振器公司生产的A10、B12、B14、C12、D41 等型号减振器，其额定载荷为 30～3000Kg，变形范围为1.0～6.0mm，固有频率 15～25Hz，阻尼比 0.15～0.2。而对于某型军用发动机来说，目前市场上的金属橡胶减振器还不能直接加以应用。这是因为现有的金属橡胶减振器刚度较小，变形较大。因此，必须针对该发动机的具体结构特点和减振安装要求，重新研制合适的金属橡胶减振器。
3.1发动机悬置系统综述
发动机的振动是汽车车身振动最主要的来源之一，直接影响发动机附近相关零部件的寿命，也会引起乘坐的不舒适性。随着汽车产业近年来的飞速发展，汽车的舒适性越来越受到人们的关注，如何减振提高乘坐舒适性是科研设计开发的一个重要组成部门。于是，悬置系统的相关研究开始进入人们的视野，从橡胶悬置，到液压悬置，半主动和主动悬置不断的提高了悬置系统在发动机隔振方面起到更重要的作用。动力系统的振动传递到汽车车身的强度大小主要取决于悬置系统的结构、安装位置和自身的刚度阻尼等特性。悬置支撑系统在满足静、动态特性的同时，还要考虑到其受到的约束条件，这些因素都为悬置系统的开发研究提高了难度。一般来说，汽车动力总成悬置系统有几个基本要求[39-41]：
（1）能在所有工况下承受动、静载荷，并使发功机总成在所有方向上的位移处于可接受的范围内，不与底盘上的其他零部件发生干涉。同时在发动机大修前，不出现零部件损坏。
（2）能充分地隔离由发动机产生的振动向车架及驾驶室的传递，降低振动噪声。
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（3）能充分地隔离由于路面不平产生的通过悬置而传向发动机的振动，降低振动噪声。 悬置系统固定并支撑发动机及其附件，需同时隔离两个激励力：一是由动力
（4）总成产生的激励而引起的汽车车身振动；二是由道路条件的不稳定性激励通过车身向动力总成传递的振动。
（5） 保证发动机机体与飞轮壳的连接面弯矩不超过发动机厂家的允许值。
3.1.1 发动机悬置系统的力学模型
悬置系统是作为连接发动机和汽车车身的隔离元件，主要作用是固定并支撑发动机及其附件、减少发动机的振动向汽车车身的传递能力等作用，对汽车的 NVH（Noise Vibration Harshness）性能起着非常重要的作用。对发动机悬置系统的性能来说，分可为两大类：
（1）具有低频率、高刚度和高阻尼的特性，这是为了尽可能降低因道路环境和怠速不均匀压力的低频率、大幅度的振动。
（2）具有高频率、小刚度和小阻尼的特性，这是为了降低汽车内部的噪声强度，提高驾驶员的操控安全性。综上可知，悬置系统起到作用既需要有频变的特性，也要满足有幅变的特征。
发动机总成及其悬置系统组成的弹性振动系统，固有频率不超过 30Hz，发动机组的质量和刚度一般比隔振器大得多，且前者的固有频率高于激励频率，故将发动机组视为刚体。因此，可以把发动机简化为一空间刚体。这样，发动机台架物理学模型即为空间六自由度的弹性振动系统，其台架动力学 6 自由度模型如图3.1 所示。
图3.1 发动机悬置系统物理模型简图
3.1.2 悬置系统的布置
3.2金属橡胶减振器有限元分析模型
金属橡胶作为一种新型的结构材料，内部呈现网状分布，结构复杂，相互之间影响因素繁多。至今为止，金属橡胶在不同载荷情况下实验累积和经验累积都达到了一定的数量。为了更好的使用金属橡胶材料，了解金属橡胶的性能至关重要，基于此，国内外众多学者提出了几种结构模型用于描述金属橡胶材料，其中金属橡胶的强度问题和减振阻尼问题占了其中的大部分。但是这两个问题并不能一起描述，因此金属橡胶的模型都是基于其某一项性能对其进行描述。
3.2.1减振器数据处理与模型的建立
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金属橡胶的有限元建模主要集中非线性弹性模型上，非线性弹性模型在功能上与金属橡胶类似，能够在一定程度上替代金属橡胶。本文利用 ANSYS 有限元分析软件中的LS-DYNA 模块进行分析。LS-DYNA 作为通用显示非线性动力分析程序，能够对各种复杂的非线性问题进行分析，主要包括几何非线性、材料非线性和接触非线性。
金属橡胶材料本身属于材料非线性问题，再加上跌落时瞬间高速碰撞的非线性动力冲击问题，使用 LS-DYNA 模块进行分析是合理的。在 LS-DYNA 模块中非线性弹性模型包括BLATA-KO 橡胶弹性模型，Mooney-Rivlin 橡胶弹性模型以及粘弹性模型[53]。以上几种模型在非线性材料的定义中各有优劣。由于 BLATA-KO 橡胶弹性模型只需要定义材料的密度和剪切模量，参数获取方便，因此本文采用 BLATA-KO 橡胶弹性模型用来定义金属橡胶材料。 金属橡胶材料在建模时需要注意事项：
（1）为计算方便，尽可能简化模型，本文采用圆柱实体模型模拟金属橡胶隔振器。 （2）假设金属橡胶材料在压缩过程中的体积变形量很小，泊松比为 0.463。
（3）假设金属橡胶材料具有固定的剪切弹性模量，剪切模量的确定参考橡胶剪切模量的测定标准——ISO1827-2007 硫化橡胶或热塑性橡胶剪切模量和与刚性板粘合强度的测定。
（4）在非线性分析过程中，可能出现网格变形严重等问题，此时需要重新划分网格密度。 在本文的仿真过程中，金属橡胶的有限元模型至关重要，它是决定跌落减振效果的关键，不但影响了计算结果的准确性，还影响了计算的速度与精度。
3.2.2实体模型的网格划分
随着 CAD 技术的广泛应用和不断发展，网格划分软件的数量和质量也随之提高。实体模型网格的划分，作为建立有限元模型的重要步骤，精度和质量直接影响有限元分析结果。有限元模型网格的划分包括划分单元的形状、密度和类型等等因素。所以，高质量的网格需要大量的工作。本文利用 CATIA 建立金属橡胶减振器的模型，结合专业网格划分软件 Hypermesh 对模型进行网格的划分。下面介绍网格划分的两个重要的基本原则[48]：
（1）网格的数量
网格划分的单元数量不仅影响仿真分析结果的精确性，也决定了仿真计算的规模。同时，网格数量的多少又体现了一种矛盾性：数量较多时，结果精度提高，计算规模增大；数量较少时，计算精度降低，计算规模减小。因此，确定网格划分的单元数量时需要权衡两个因素综合的考虑。
（2）网格的疏密
为了能更好的对有限元模型进行数据分析处理，在网格划分在模型的不同位置用不一样的尺寸来划分。例如，在模型横截面积突然变化的位置，这些位置刚度差异大，容易引起应力集中，则在对模型的刚度变化大的位置密度需要更大。反之，在模型横截面积变化较小的位置，为减小有限元计算量，在这些位置密度小即可。通过这种思路，最终得到的有限元网格模型就能很好的表现出实际情况。
3.3本章总结
本章基于金属橡胶减振器作为一种新型的悬置元件，首先介绍了汽车发动机悬置系统的相关知识，包括悬置系统的由来、类型以及布置等。然后，根据金属橡胶减振器的实测几何数据进行实体模型的建立。最后，把实体模型导入 HyperWorks 中，通过对减震器模型几何清理后，进
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行网格的划分，得到有限元分析模型。有限元网格模型的建立对之后减振器轻量化的结构件以及改进后的结构件做准备。
第四章 金属橡胶减振器结构强度计算与分析
通过前面的分析和研究分析，结合该型发动机悬置系统承载重量大、安装位置及空间的严格限制，为其选择设计了型金属橡胶减振器作为其动力总成悬置元件。结构示意图见图。为了保证所设计的减振器在振动过程中具有较好的减振性能，设计中采用两块金属丝网块用以吸收振动能量，该金属丝网减振器采用不锈钢金属丝网块作为弹性元件的一种新型减振器，它的主要工作原理是利用金属丝网块在负载作用下丝间滑移所产生的干摩擦阻尼，大量吸收和耗散系统的能量，达到隔振和缓冲的目的。由于它全部采用金属材料加工制成，因而它承载能力较强，性能稳定，具有抗疲劳、耐腐蚀、耐辐射、耐高低温度、不老化及长寿命等特点，适应严酷的综合环境工作。应用它可以提高谐振工作状态下弹性阻尼元件的阻尼特性。
4.1结构静力分析概述
静强度分析研究结构在常温条件下承受载荷的能力，通常简称为强度分析。静强度除研究承载能力外，还包括结构抵抗变形的能力（刚度）和结构在载荷作用下的响应（应力分布、变形形状、屈曲模态等）特性。
静强度分析包括下面几个方面的工作。
①校核结构的承载能力是否满足强度设计的要求，其准则为： 若强度过剩较多，可以减小结构承力件尺寸。对于带裂纹的结构，由于裂纹尖端存在奇异的应力分布，常规的静强度分析方法已不再适用，已属于疲劳与断裂问题。
②校核结构抵抗变形的能力是否满足强度设计的要求，同时为动力分析等提供结构刚度特性数据，这种校核通常在使用载荷下或更小的载荷下进行。
③计算和校核杆件、板件、薄壁结构、壳体等在载荷作用下是否会丧失稳定。有空气动力、弹性力耦合作用的结构稳定性问题时，则用气动弹性力学方法研究。
④计算和分析结构在静载荷作用下的应力、变形分布规律和屈曲模态，为其他方面的结构分析提供资料。
静强度分析的内容也可通过静力试验测定或验证。
4.2金属材料的选择
4.2.1 材料的选择
制造金属橡胶构件的原材料为各种牌号的细金属丝，丝线牌号由金属橡胶构件工作温度状况、腐蚀性介质的存在状况、载荷情况决定。原子间无定向键的金属丝具有不太高的强度，但经过拉伸后金属丝的强度会由于冷作硬化作用而急剧增加，丝线的直径越小其硬化作用和强度就越大。由于弹性模量决定了材料刚度的大小，强度大但弹性模量低的材料不适宜用作结构材料，因为对零件施加载荷时，由这种材料制成的结构有很大的残余变形，所以在制备金属橡胶构件时要选择弹性模量和强度值都较大的金属丝所用丝线直径取决于构件的尺寸及所要求的强度等机械性能，在多数条件下使用直径为0.05-0.3mm的金属丝。本课题使用的金属丝是从专业金属丝生产厂家直接购买的，材料为1C，18N，9T，丝线直径为0.1-0.2mm。
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