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发动机悬置软垫断裂模拟

戴永谦  
【摘要】:发动机是一种用途广泛的热能动力机械,在船舶、汽车、拖拉机、工程机械和机车等领域中广泛应用。随着发动机朝高速、轻型、大功率方向发展,其振动问题越来越受到人们的普遍重视。发动机的振动关系到它的使用寿命,工作效率及对周围环境的影响。而作为吸收发动机振动的主要部件,发动机悬置软垫由于其工作位置等原因而在日常的检修中往往被车主和维修人员所忽视。都是在其断裂发生后才能知道,有时造成很大的经济损失。因此,开展发动机悬置软垫的断裂分析研究是非常必要的,这是一个有着实用意义的课题。但鉴于发动机悬置软垫所用橡胶材料力学性能的特殊性,目前少有人员对此进行细致的研究,本论文主要立足于现有橡胶材料超弹性本构模型及线弹性断裂力学的理论,通过对结构进行强度分析,确定了发动机悬置软垫裂纹发生的初始位置,进而应用有限元方法和无网格方法进行了裂纹扩展的数值模拟,得到了悬置软垫的裂纹轨迹。 进行断裂分析首先要知道裂纹的位置。但对于发动机悬置软垫,由于其安装于发动机固定支架与车架之间,其最初出现裂纹的位置并不知道。因此,对于发动机悬置软垫的断裂模拟,首要任务就是确定其裂纹发生的初始位置。悬置软垫的主体——橡胶是一种非常特殊的工程材料,其力学特性是超弹性的。现有的几种橡胶材料的本构理论都是以应变能密度函数为基础发展起来的。由于类橡胶材料的重现性是不足够的,不允许精确地对大量的参数进行估计,因此,高次应变能函数的实用价值很小,附加项只是用来修正试验误差。在此选择两参数Mooney-Rivlin模型模拟橡胶的本构行为。建立悬置软垫的有限元模型时,对橡胶和钢板两种材料之间的连接,以接触对的形式进行模拟,接触类型为永不分离的黏结,目的是为了满足零件的厂家制造要求,即撕裂发生后钢板上必须要有橡胶黏附。通过对悬置软垫进行强度分析和疲劳分析,根据结构内应力分布特点,确定了悬置软垫疲劳裂纹发生的初始位置,为进行断裂模拟做好了准备。并根据结构平面内应力规律分布相同的特点指出,在发动机平稳运转,其纵向冲击可予以忽略的情况下,进行结构断裂模拟时可以将三维问题简化成二维问题,以在保证模拟可信度的前提下降低处理问题的难度和减小计算规模。 有限元法是目前发展起来的用于模拟裂纹传播的应用最为广泛的数值方法,尽管其精度受限于网格重分等因素。由于结构平面内应力分布规律相同,将三维问题简化成二维问题进行断裂模拟。对简化后的二维问题而言,一个难题就是有限元计算所需载荷难以理论上计算得到,需要特殊处理。本文采取下述方法得到此载荷:应用三维有限元模型,在建立接触对的节点处施加位移约束,节点各自由度的位移值设置为零。进行结构


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