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引言

1.1 橡膠本構(gòu)行為

在重復(fù)受載條件下,橡膠會(huì)發(fā)生應(yīng)力軟化,可將這一現(xiàn)象表述為如圖1所示的Mullins效應(yīng)。當(dāng)橡膠在卸載或施加的載荷小于第一次時(shí),其應(yīng)力應(yīng)變路徑都位于加載路徑之下。當(dāng)再次加載的載荷大于第一次時(shí),加載曲線先沿著第一次的卸載路徑Ⅰ′和路徑Ⅱ上升,隨后沿著路徑Ⅱ′卸載,后續(xù)的加卸載過程與上述情況相同[13]。

Zhao等[14]發(fā)現(xiàn)填充橡膠單軸加卸載時(shí)最大應(yīng)力可部分恢復(fù),熱處理溫度越高,最大應(yīng)力恢復(fù)的能力越顯著。高亮亮等[15]研究了新型熱塑性硫化膠材料的壓縮Mullins效應(yīng),發(fā)現(xiàn)在第二次單軸循環(huán)壓縮時(shí),Mullins效應(yīng)的回復(fù)程度隨熱處理溫度的升高而增大。Allen等[16]研究了氣相硅作為增強(qiáng)填料對復(fù)合硅彈性體Mullins應(yīng)力軟化的影響,并使用了一種結(jié)構(gòu)改性的疏水性二氧化硅作為填料,減少了結(jié)構(gòu)斷裂和Mullins應(yīng)力軟化。吳偉等[17]探討研究了炭黑含量對Mullins效應(yīng)的影響,隨著炭黑含量的增加,EPDM硫化膠的Mullins效應(yīng)表現(xiàn)明顯。

目前廣大學(xué)者對于橡膠材料Mullins效應(yīng)的研究主要集中在可逆恢復(fù)程度、填料對其影響程度方面,熱處理溫度越高,Mullins效應(yīng)的可逆回復(fù)程度也隨之顯著提升,炭黑含量增加時(shí),Mullins效應(yīng)表現(xiàn)明顯。

1.2 橡膠配方及加工條件

在橡膠配方方面,生膠、填料、抗老劑等是影響橡膠材料疲勞性能的主要因素,橡膠配方不同其化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)也有所不同。在加工條件方面,混煉工藝、硫化設(shè)備、硫化時(shí)間、硫化溫度等會(huì)直接影響橡膠制品的疲勞壽命。

張松峰等[18]通過研究氯丁橡膠的配方及性能發(fā)現(xiàn),純氯丁橡膠比氯丁橡膠與通用膠并用能獲得更高的屈撓疲勞性能。Ji等[19]對比研究了CNT和炭黑對天然橡膠復(fù)合材料疲勞性能的影響,隨著炭黑含量的增加,天然橡膠復(fù)合材料的疲勞性能得到改善,CNT含量越高,疲勞性能反而有所降低。余本祎等[20]研究發(fā)現(xiàn)將N550和N234調(diào)整為理論最佳顆粒分布,其炭黑分散性更加優(yōu)越,膠料的耐磨性得到提升。Huangfu等[21]合成了胺鈍化粗碳點(diǎn)作為天然橡膠抗老劑,分散良好的胺鈍化粗碳點(diǎn)使天然橡膠抗老化性能更加顯著。李曉青等[22]研究發(fā)現(xiàn)炭黑用量為60份、硫化溫度為140 ℃、硫化時(shí)間為30 min時(shí),工程裝備履帶用橡膠的硬度值和磨耗性能最好。

通過上述研究可知,工業(yè)生產(chǎn)中通常選用天然橡膠作為減震橡膠制品的原料,有特殊需要時(shí)也選用氯丁橡膠或丁苯橡膠。通常情況下橡膠制品的補(bǔ)強(qiáng)劑是炭黑,可根據(jù)減震橡膠制品的疲勞壽命長短要求,少量添加其他填料。分批次加入較難分散的配合劑,或?qū)⒒鞜捁に囌{(diào)整為分段混煉,可以使配合劑更均勻分散。同時(shí)要合理制定橡膠硫化工藝,確保橡膠各部位的硫化程度一致。此外,可進(jìn)一步加強(qiáng)對填料分散程度和交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)等的研究。

1.3 加載歷程

載荷歷程是影響橡膠疲勞壽命的因素之一,它表述了建立疲勞壽命預(yù)測模型時(shí)損傷參量隨時(shí)間的變化情況。當(dāng)試驗(yàn)條件與試驗(yàn)對象相同時(shí),疲勞損傷會(huì)隨著加載條件的變化體現(xiàn)出較大的差異性。用于描述載荷條件的應(yīng)變參數(shù)有應(yīng)變峰值、應(yīng)變谷值、應(yīng)變R比、應(yīng)變谷峰值及應(yīng)變幅值[23]等,圖2可清晰反映各應(yīng)變參數(shù)的定義。

圖2 正弦加載曲線

其中,應(yīng)變R比為R=Amin/Amax。

Schieppati等[24]研究了非結(jié)晶橡膠的疲勞行為,總結(jié)出裂紋擴(kuò)展的速率與加載頻率相關(guān)。Mars、Fatemi等通過研究橡膠試柱在變幅載荷下的疲勞特性發(fā)現(xiàn),橡膠試柱的疲勞壽命隨加載幅值排列形式的不同而表現(xiàn)出差異。段小成等[25]針對啞鈴型圓柱橡膠試件,分析了變幅載荷對疲勞壽命的影響,總結(jié)出在變幅加載條件下預(yù)測填充天然橡膠疲勞壽命時(shí),Miner線性累計(jì)損傷法則較為適用。Chung等[26]提出了變幅載荷下彈性體疲勞壽命的數(shù)值預(yù)測法,并利用此方法對橡膠懸置的疲勞壽命進(jìn)行預(yù)測。劉治澳等[27]在拉伸次數(shù)和拉伸變形量不同的條件下分析了天然橡膠的疲勞性能,拉伸頻率越高,橡膠的疲勞老化現(xiàn)象越嚴(yán)重。

當(dāng)施加的載荷為變幅時(shí),應(yīng)變R比、加載順序、加載頻率等因素都會(huì)影響受載橡膠元件的疲勞壽命。低頻時(shí)橡膠機(jī)械疲勞破壞的主要原因是分子鏈斷裂,高頻下的疲勞破壞主要由溫度升高后的熱降解引起。

1.4 使用環(huán)境

橡膠零部件常在惡劣多變的環(huán)境下工作,環(huán)境溫度、氧、臭氧、化學(xué)物質(zhì)、光等因素會(huì)顯著影響橡膠材料疲勞裂紋的增長。氧化老化也是影響橡膠疲勞特性的因素之一,橡膠材料變硬變脆,從而產(chǎn)生機(jī)械疲勞,抵制裂紋擴(kuò)展的能力逐漸衰退。

任欣[28]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度從0 ℃到110 ℃時(shí),天然橡膠的疲勞壽命縮短為1/4,而苯乙烯丁二烯橡膠的疲勞壽命縮短為萬分之一。伍少海等[29]以橡膠簾線復(fù)合材料為研究對象,研究總結(jié)出高溫會(huì)導(dǎo)致橡膠基體破壞、橡膠與簾線二者的粘合面發(fā)生失效,表1是在試驗(yàn)溫度條件改變時(shí),橡膠簾線材料的動(dòng)態(tài)粘合性能[29]。

表1 試驗(yàn)溫度不同時(shí)橡膠簾線復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)粘合性能

注:負(fù)荷2.5/3.0 kg,擺幅2 mm,測試頻率13 Hz。

Zheng等[30]選用角鯊烯對天然橡膠的老化過程進(jìn)行模擬,當(dāng)天然橡膠發(fā)生老化時(shí),橡膠內(nèi)部的分子網(wǎng)絡(luò)被破壞,力學(xué)性能減弱。Kamaruddin等[31]研究了裂紋在臭氧氛圍中的擴(kuò)展情況,應(yīng)變水平低時(shí)形成的裂紋較少,但長度較長,而應(yīng)變水平高時(shí)形成的裂紋較多,而長度相對較短。孫阿彬等[32]將合成的新型防老劑Si-GD用于改性白炭黑并補(bǔ)強(qiáng)天然橡膠,研究表明了Si-GD改性后天然橡膠白炭黑復(fù)合材料的撕裂強(qiáng)度、邵氏硬度等明顯增加,采用4份Si-GD的復(fù)合材料耐磨性較采用等量Si-69更好。

因此,在惰性環(huán)境下,疲勞裂紋擴(kuò)展的速率會(huì)減緩,而在高溫、氧和臭氧環(huán)境下,疲勞裂紋增長的速率加快,臭氧比氧的影響更明顯,可通過在橡膠中加入填料的方式降低溫度對橡膠疲勞壽命的影響。

2.1 橡膠疲勞裂紋萌生壽命預(yù)測模型

疲勞裂紋萌生法假定橡膠材料疲勞壽命與材料的某一力學(xué)參數(shù)存在函數(shù)對應(yīng)關(guān)系,通常情況下,該力學(xué)參數(shù)被叫作疲勞損傷參量[33]。選取并確定疲勞損傷參量是建立疲勞壽命預(yù)測模型的關(guān)鍵一步,選用不同損傷參量所建立的模型預(yù)測準(zhǔn)確度有所不同,國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域形成了較多成果。

在以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的裂紋萌生壽命預(yù)測中,疲勞裂紋萌生壽命和疲勞損傷參量兩者滿足的冪法則關(guān)系為

P=K(Nf)b

(1)

式中:P為疲勞損傷參量;Nf為裂紋萌生壽命;K和b為材料常數(shù)。

基于連續(xù)損傷力學(xué)理論的裂紋萌生壽命是從材料損傷角度來計(jì)算的,Kachanov最早提出連續(xù)損傷力學(xué)理論,并通過該理論解釋了材料的蠕變損傷,之后該理論才被用于預(yù)測材料的疲勞損傷壽命。

對于橡膠材料的疲勞研究,通常有4類力學(xué)性能參數(shù)被用于預(yù)測橡膠的疲勞壽命,分別是應(yīng)變參數(shù)、應(yīng)力參數(shù)、能量參數(shù)和基于構(gòu)型應(yīng)力張量的疲勞損傷參量。Mars和Harbour等[34-35]分別以4種應(yīng)變參數(shù)作為損傷參量預(yù)測了天然橡膠和丁苯橡膠的壽命,損傷參量為最大主應(yīng)變峰值時(shí)模型預(yù)測效果最好。Luo等[36]將等效應(yīng)力用在橡膠材料疲勞壽命預(yù)測模型中,通過試驗(yàn)證明了該模型的壽命預(yù)測效果較好。上官文斌等[37]分別以4種應(yīng)變參數(shù)、2種應(yīng)力參數(shù),以及一種能量參數(shù)作為預(yù)測模型的參量,分析了某橡膠懸置的疲勞壽命,結(jié)果表明選用Luo應(yīng)力、Saintiter應(yīng)力作為損傷參量能取得更優(yōu)的預(yù)測結(jié)果。Verron等[38]研究了橡膠元件受到外加載荷時(shí)應(yīng)變的變化情況,針對橡膠多軸疲勞提出了一種基于應(yīng)力和應(yīng)變的新預(yù)測模型。Andriyana等[39]研究了基于構(gòu)型應(yīng)力張量方法的應(yīng)用情況,認(rèn)為該法能全面反映橡膠受載形變的過程,能更好地預(yù)測出橡膠疲勞的發(fā)生趨勢,適用于橡膠材料的單、多軸疲勞預(yù)測。

通過分析發(fā)現(xiàn),選取應(yīng)變參數(shù)作為疲勞損傷參量,預(yù)測準(zhǔn)確性普遍較低。以應(yīng)力參數(shù)為疲勞損傷參量的預(yù)測準(zhǔn)確性良好。在選用能量參數(shù)作為疲勞損傷參量方面,使用開裂能密度來估算多軸疲勞壽命更具優(yōu)勢。目前以構(gòu)型應(yīng)力張量為基礎(chǔ)研究橡膠疲勞損傷問題的文獻(xiàn)較少,且該方法的應(yīng)用效果需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 橡膠疲勞裂紋擴(kuò)展壽命預(yù)測模型

橡膠疲勞裂紋擴(kuò)展模型是基于斷裂力學(xué)理論提出的,假設(shè)橡膠元件上已存在長度為C0的初始裂紋,當(dāng)循環(huán)加載時(shí),橡膠元件發(fā)生失效破壞,此時(shí)裂紋生長至Cf,裂紋從C0擴(kuò)展至Cf過程中,橡膠元件承受的載荷循環(huán)次數(shù)即為裂紋擴(kuò)展壽命,可表述為

N=1/f(T(c,t))dc

(2)

式中:f(T(c,t)為裂紋生長模型; T為撕裂能,它是裂紋長度c和時(shí)間t的函數(shù)。目前,應(yīng)用較廣泛的橡膠疲勞裂紋增長模型主要有2大類,一類與時(shí)間和溫度無關(guān),如Thomas模型、Lake-Lindley模型、Pairs模型、Mars-Fatemi模型和插值模型等,另一類與時(shí)間和溫度相關(guān),例如臭氧攻擊裂紋增長模型、黏彈性斷裂增長模型等。Lake和 Lindley以填充橡膠為試驗(yàn)對象,在撕裂能比為0的恒幅載荷條件下開展了裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),將橡膠裂紋擴(kuò)展特性劃分為4個(gè)階段[33],如圖3所示,其中橫坐標(biāo)表示撕裂能峰值,縱坐標(biāo)表示裂紋擴(kuò)展速率。

圖3 Lake-Lindley橡膠材料裂紋擴(kuò)展模型

4個(gè)階段裂紋增長速率近似表達(dá)式為

(3)

式中:dα/dN為裂紋擴(kuò)展速率;rz為臭氧環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展速率;T0為門檻撕裂能; Tt為轉(zhuǎn)折撕裂能; Tc為臨界撕裂能;A0、B0和p分別為材料的疲勞特性參數(shù)。

汪艷萍[40]以配方不同的2種填充型天然橡膠為對象,研究了橡膠的宏觀力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu),對比分析了用應(yīng)變能密度和撕裂能2個(gè)參數(shù)評價(jià)橡膠多軸疲勞壽命的效果差異。丁智平等[41]選用撕裂能范圍作為橡膠彈簧疲勞壽命預(yù)測的損傷參量,結(jié)果表明預(yù)測的疲勞壽命是試驗(yàn)壽命的1.33倍,預(yù)測精度較高。Saintier等[42]在裂紋擴(kuò)展方向等多方面做出了深入研究,得出在單、多軸加載下,裂紋發(fā)生的位置與方向主要受最大主應(yīng)力限制。Wang等[43]利用裂紋擴(kuò)展法預(yù)測了橡膠懸置的壽命,預(yù)測壽命結(jié)果滿足工程要求,預(yù)測的裂紋發(fā)生位置和方向與測試結(jié)果較吻合。Shangguan等[44]對單切口撕裂橡膠試樣進(jìn)行了變振幅載荷下的裂紋擴(kuò)展試驗(yàn),建立了裂紋擴(kuò)展計(jì)算模型。王小莉等[45]基于開裂能密度、裂紋擴(kuò)展特性對某橡膠隔振器的疲勞壽命進(jìn)行了預(yù)測,預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果較一致。Pei等[46]以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ),推導(dǎo)出撕裂能和裂紋生長速率二者之間所呈的函數(shù)關(guān)系。

基于斷裂力學(xué)來預(yù)測車用橡膠隔振器疲勞壽命的方法目前還有一定局限性,主要受限于準(zhǔn)確計(jì)算多軸載荷下橡膠的撕裂能。目前,計(jì)算裂紋形狀和方位不同時(shí)橡膠撕裂能的主要途徑是采用有限元仿真軟件。

圖4 橡膠構(gòu)件疲勞耐久性分析流程

目前對橡膠隔振器進(jìn)行疲勞壽命有限元分析主要基于ABAQUS、ANSYS、MSC.Marc、Fe-safe、nCode DesignLife等分析軟件。根據(jù)疲勞破壞機(jī)理,疲勞裂紋產(chǎn)生的主要原因是應(yīng)力集中,裂紋主要從其應(yīng)力較為集中的表面邊緣區(qū)域開始萌生。可采用有限元仿真手段,首先建立橡膠元件的有限元仿真模型,通過非線性有限元分析,確定橡膠隔振器應(yīng)力集中的位置,將應(yīng)力集中位置附近的區(qū)域認(rèn)為是潛在危險(xiǎn)區(qū)域,通過計(jì)算確定出潛在危險(xiǎn)區(qū)中最小壽命的具體位置,最后預(yù)測出橡膠隔振器的疲勞壽命。李明敏等[23]建立了某橡膠懸置的有限元模型,確定了在施加-10.1 mm的位移時(shí),懸置不同位置的對數(shù)應(yīng)變達(dá)到最大值,明確了懸置最可能發(fā)生疲勞破壞的位置,其仿真得到的應(yīng)變云圖與標(biāo)注的危險(xiǎn)點(diǎn)如圖5所示[23]。

圖5 對數(shù)應(yīng)變分布云圖

姜紀(jì)鑫等[48]通過MSC.Marc軟件預(yù)測了發(fā)動(dòng)機(jī)橡膠懸置元件裂紋最先可能出現(xiàn)的位置是橡膠邊緣與鋼板結(jié)合的部位,同時(shí)通過分析最大Green-Lagrange應(yīng)變與疲勞周期的關(guān)系曲線得出隨著懸置橡膠元件最大Green-Lagrange應(yīng)變的增大,其疲勞周期呈減小的趨勢。姬娜等[49]基于熱力耦合,通過有限元仿真法預(yù)測了橡膠支座的疲勞壽命,研究結(jié)果表明疲勞壽命預(yù)測值與臺(tái)架試驗(yàn)均值誤差為7.5%。劉海東等[50]針對某款SUV橡膠懸置軸套的結(jié)構(gòu)和配方進(jìn)行優(yōu)化,對比發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后橡膠軸套的應(yīng)力集中現(xiàn)象減少,疲勞耐久性能有所提高。Xu等[51]利用有限元模型計(jì)算了橡膠套筒螺柱剪切連接器的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài),以臨界表面法為基礎(chǔ)對疲勞裂紋的生長壽命進(jìn)行預(yù)測,并基于斷裂力學(xué)預(yù)測了裂紋的擴(kuò)展壽命。李龍等[52]通過建立橡膠支座的八分之一有限元模型,分析確定了臨界位置處的格林-拉格朗日應(yīng)變,結(jié)合疲勞試驗(yàn)確定的疲勞損傷參數(shù),預(yù)測了橡膠構(gòu)件的疲勞壽命。Wada等[53]提出了一種基于非線性時(shí)空有限元法的新仿真方法,預(yù)測了單個(gè)缺口橡膠樣品的疲勞壽命,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。

總之,運(yùn)用仿真手段準(zhǔn)確預(yù)測橡膠元件疲勞性能意義重大,國內(nèi)外學(xué)者在橡膠元件疲勞耐久性有限元分析方面已經(jīng)取得了一定成績,但在加載過程中橡膠材料會(huì)發(fā)生應(yīng)力軟化、應(yīng)變結(jié)晶、蠕變松弛和黏彈滯后,這一系列特性使分析橡膠的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)變得更加復(fù)雜,影響了疲勞有限元分析的準(zhǔn)確性,導(dǎo)致了目前疲勞壽命仿真精度不高,進(jìn)一步提升仿真準(zhǔn)確性挑戰(zhàn)性較大。

4.1 橡膠材料疲勞壽命試驗(yàn)

橡膠材料疲勞試驗(yàn)主要指本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)與橡膠材料試樣疲勞壽命試驗(yàn),一般在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)初期進(jìn)行。

橡膠的本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)指單軸拉伸、等雙軸拉伸和平面拉伸3種[54],如圖6所示,分別表征橡膠在3種不同狀態(tài)下的力學(xué)行為,通常情況下,橡膠材料受到外加載荷而產(chǎn)生的形變都能由這3種變形的耦合狀態(tài)進(jìn)行表征。

圖6 橡膠本構(gòu)關(guān)系試驗(yàn)

在特定的試驗(yàn)環(huán)境下,根據(jù)橡膠樣片準(zhǔn)靜態(tài)加載下的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)擬合出對應(yīng)的本構(gòu)模型參數(shù),選取擬合效果較好的超彈性本構(gòu)模型。張啟宵等[55]分別開展了橡膠材料的單雙軸及平面拉伸試驗(yàn),獲取了三元乙丙橡膠材料的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)。焦建英[56]在常溫條件下針對2種硫化天然橡膠開展了本構(gòu)試驗(yàn),選用了Yeoh模型來表征橡膠氣囊。

橡膠材料試樣疲勞壽命試驗(yàn)主要是以橡膠試片、啞鈴型橡膠試柱、環(huán)形橡膠試柱、撕裂試樣等為對象,進(jìn)行疲勞壽命試驗(yàn)。橡膠試片、啞鈴型橡膠試柱這兩者作為簡易橡膠材料疲勞試件,在試驗(yàn)過程中,當(dāng)加載循環(huán)達(dá)到1 000次、10 000次及24 h后[2]需進(jìn)行調(diào)整。同時(shí),應(yīng)采用辛普森數(shù)值積分方法計(jì)算疲勞損傷等效參量,以幾何平均法對試驗(yàn)得到的疲勞壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。環(huán)形橡膠試柱作為純剪切試件,在加載過程中只能承受輕微的壓縮載荷。撕裂試樣是在裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)中使用的,在試驗(yàn)進(jìn)行前,應(yīng)當(dāng)預(yù)先在試樣上設(shè)置好長度指定的裂紋,使裂紋沿預(yù)設(shè)裂紋擴(kuò)展,防止多次分散裂紋或裂紋偏差。試樣的形狀設(shè)計(jì)是橡膠疲勞試驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié),目前相關(guān)文獻(xiàn)中涵蓋的試樣形狀在反映橡膠產(chǎn)品工作時(shí)的真實(shí)載荷方面還有待提升。若試驗(yàn)條件足夠充分,進(jìn)行多種類的橡膠材料試驗(yàn)?zāi)軌颢@取更充分的橡膠材料數(shù)據(jù)。常見的材料試驗(yàn)裝置主要有3種,如圖7所示[57]。

圖7 橡膠材料試驗(yàn)裝置

4.2 懸置疲勞耐久性測試

汽車動(dòng)力總成懸置的疲勞耐久性測試是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后針對懸置樣品進(jìn)行的測試,主要是各大主機(jī)廠、企業(yè)在項(xiàng)目或產(chǎn)品開發(fā)末期進(jìn)行的橡膠懸置樣件性能合格驗(yàn)證。主機(jī)廠通常在試驗(yàn)場進(jìn)行道路試驗(yàn),驗(yàn)證整車的疲勞性能。懸置供應(yīng)商通常不采用道路試驗(yàn)法驗(yàn)證懸置的疲勞性能,在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行模擬測試,也有部分疲勞領(lǐng)域?qū)W者開展懸置的道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)[58]。

帕斯卡試驗(yàn)是在嚴(yán)峻惡劣的路況下檢驗(yàn)整車的疲勞性能,在試驗(yàn)過程中,不定期觀測懸置有無橡膠剝離、破損、龜裂等。各個(gè)主機(jī)廠在整車帕斯卡試驗(yàn)的具體要求上可能會(huì)略有差異,通常試驗(yàn)過程分為2個(gè)階段,每個(gè)階段進(jìn)行不同次數(shù)的循環(huán),第一階段重點(diǎn)考察底盤操縱性能,第二階段考察動(dòng)力傳動(dòng)性能。在試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行懸置疲勞試驗(yàn)通常有2種方法:一是根據(jù)載荷譜進(jìn)行懸置疲勞試驗(yàn);二是按照給定的載荷、固定的試驗(yàn)頻率等進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。周兆耀等[59]采集了道路載荷譜,通過遠(yuǎn)程參數(shù)控制在試驗(yàn)臺(tái)上模擬了懸置處于強(qiáng)化道路環(huán)境時(shí)的一系列振動(dòng)特性,證實(shí)了試驗(yàn)的可靠性。胡浩炬等[60]對拉桿懸置橡膠進(jìn)行試驗(yàn),經(jīng)試驗(yàn)測得該結(jié)構(gòu)的疲勞壽命為33.8萬次。李先洲等[61]針對液壓懸置進(jìn)行了疲勞耐久性測試時(shí),針對橡膠主簧開裂這一現(xiàn)象,優(yōu)化了橡膠主簧,有效提高了懸置的疲勞壽命。

由于試驗(yàn)周期長、數(shù)據(jù)處理的工作量大、時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本較高等原因,通常按照固定試驗(yàn)頻率和載荷進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。從理論上來說,懸置的疲勞測試應(yīng)在真實(shí)的溫度環(huán)境中進(jìn)行。在汽車實(shí)際使用過程中因工況和路況等不同,懸置周圍的溫度變化較大,通常采用單一的具有代表性的溫度進(jìn)行懸置的疲勞耐久測試。在高溫環(huán)境下,疲勞試驗(yàn)次數(shù)應(yīng)少于常溫下的疲勞試驗(yàn)次數(shù)。一般懸置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壽命應(yīng)與整車壽命相同。根據(jù)以往懸置產(chǎn)品的臺(tái)架疲勞試驗(yàn)要求及其在整車中的疲勞表現(xiàn),主機(jī)廠將修正臺(tái)架疲勞試驗(yàn)方法并提出新的試驗(yàn)要求[62],因此懸置供應(yīng)商主要根據(jù)主機(jī)廠提出的懸置疲勞試驗(yàn)溫度及其他要求進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

針對橡膠材料及懸置進(jìn)行疲勞試驗(yàn)與測試是汽車動(dòng)力總成懸置生產(chǎn)過程中的重要環(huán)節(jié),經(jīng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化最終測試所得的懸置系統(tǒng)疲勞壽命應(yīng)當(dāng)與整車壽命相同,同時(shí)懸置疲勞耐久性試驗(yàn)也可以用來驗(yàn)證仿真分析方法的正確性,從而促進(jìn)CAE技術(shù)在優(yōu)化懸置結(jié)構(gòu)、改進(jìn)懸置性能等領(lǐng)域的應(yīng)用,提高懸置系統(tǒng)開發(fā)的效率。

1) 影響橡膠制品疲勞耐久性的關(guān)鍵因素是膠料配方,此外還有橡膠本構(gòu)行為、加工條件、使用環(huán)境、加載歷程條件等因素。橡膠的Mullins效應(yīng)隨填料的變化而改變,其可逆恢復(fù)程度受熱處理溫度影響。要確定合適的膠種、填充劑的種類和用量,合理設(shè)計(jì)膠料配方。加載頻率較高時(shí),橡膠內(nèi)部發(fā)生相互作用,使橡膠局部溫度過高、開裂速率加快。橡膠材料的老化速度、裂紋增長速度隨溫度的升高而加快。

2) 在不同的加載條件下,有區(qū)別性地選用疲勞預(yù)測模型能夠獲得更好的預(yù)測效果。單軸、特定多軸或簡單幅值周期性加載時(shí),以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞裂紋萌生模型預(yù)測效果較好;多軸或更復(fù)雜情況下,以連續(xù)損傷力學(xué)為基礎(chǔ)的疲勞裂紋萌生法具有廣泛預(yù)測前景?；跀嗔蚜W(xué)的裂紋擴(kuò)展法需已知裂紋初始尺寸、位置和狀態(tài),目前主要借助有限元軟件計(jì)算和分析裂紋的撕裂能。

3) 通過有限元仿真預(yù)測橡膠元件疲勞壽命的一般方法確定局部應(yīng)力或應(yīng)力集中點(diǎn),進(jìn)而確定疲勞發(fā)生位置及最小壽命。在利用有限元仿真軟件模擬橡膠材料時(shí),材料自身的非線性、加載后的應(yīng)力軟化、應(yīng)變結(jié)晶及蠕變松弛等現(xiàn)象會(huì)影響有限元仿真模型的準(zhǔn)確性,因此,有限元仿真的精度有待進(jìn)一步提升。

4) 橡膠材料一般的承載變形可以由單軸拉伸、平面拉伸和等雙軸拉伸這3種簡單變形的耦合狀態(tài)描述。目前常用的橡膠試樣還不能反映真實(shí)橡膠制品工作時(shí)的多軸載荷。各大主機(jī)廠通常以道路試驗(yàn)的方式,驗(yàn)證整車及橡膠懸置的疲勞性能,懸置供應(yīng)商通常按照固定試驗(yàn)頻率和載荷針對橡膠懸置進(jìn)行疲勞臺(tái)架試驗(yàn)。

5.2 展望

橡膠疲勞耐久性的研究今后可從仿真精度的提升、真實(shí)工況、氧化老化的仿真模擬這3方面進(jìn)行。

1) 在提升仿真精度方面,需將溫度、負(fù)荷、材料力學(xué)行為變化等因素對橡膠制品疲勞壽命的影響考慮進(jìn)有限元模擬中。深入研究橡膠元件疲勞壽命的頻率、溫度相關(guān)性,在表征橡膠材料時(shí),建立與溫度、材料力學(xué)行為等因素相關(guān)的本構(gòu)模型,不斷提升疲勞壽命仿真模型的精確度。

2) 在真實(shí)工況的模擬方面,深入研究加載條件為多軸變幅載荷、極高載荷時(shí)橡膠隔振器的疲勞壽命情況。橡膠隔振器實(shí)際的工作過程是多因素復(fù)合影響下的復(fù)雜、動(dòng)態(tài)過程,可進(jìn)一步關(guān)注橡膠的動(dòng)態(tài)疲勞問題,更真實(shí)、全面地反映橡膠隔振器的疲勞破壞過程,準(zhǔn)確反映實(shí)際橡膠疲勞行為及疲勞壽命。

3) 在氧化老化的仿真模擬方面,可建立老化對橡膠疲勞壽命的定量模型,深入開展橡膠材料氧化老化的模擬研究。橡膠制品經(jīng)常暴露在不同的環(huán)境條件下,溫度和氧氣的升高使橡膠的物理和化學(xué)性能發(fā)生變化,容易出現(xiàn)熱氧化老化現(xiàn)象,且在老化過程中,橡膠膠料中添加的抗氧化劑會(huì)被耗盡,因此迫切需要進(jìn)一步開展橡膠的防老化研究。