基于非线性有限元的橡胶隔振器压缩刚度的研究

秦洪艳

(三江学院 机械工程学院，江苏 南京210012)

    借助ANSYS软件完成了压缩状态下矩形橡胶隔振器的非线性有限元分析，总结了矩形橡胶隔振器压缩刚度计算公式中形状系数的确定方法，并与传统经验公式进行了比较。

    由于橡胶材料具有良好的弹性性能和缓冲功能，工程机械设计中通常采用橡胶隔振器达到支承、限位、隔振及减噪的目的。

    为了方便设计计算，通常将复杂形状的橡胶隔振器看成是几个简单形体的叠加。国内外对典型形状的橡胶隔振器刚度计算方法进行了研究，一些机构也总结出计算典型橡胶隔振器刚度的经验公式。但橡胶属于典型的非线性弹性材料，其使用性能随橡胶配方、使用环境、隔振器造型及受力变形量而变化，因此传统的经验公式具有一定的局限性。

    本文借助有限元分析软件ANSYS对压缩状态下的矩形橡胶隔振器进行非线性有限元分析，从而得到矩形橡胶隔振器压缩刚度计算公式中形状系数的表达式，此表达式同样适用于其他形状的橡胶隔振器。

1矩形橡胶隔振器压缩刚度的计算

    橡胶作为一种非线性弹性材料，其基本的物理性能不会由于外表形状的改变而改变，但制成隔振器后它的弹性模量不再是橡胶材料的弹性模量E，而是表观弹性模量Ea。表观弹性模量与弹性模量的关系为：

Ea=m×E    （1）

因此，橡胶隔振器压缩刚度Kx的计算公式为［1］：

Kx=AL·m/H·E    （2）

式中：AL为橡胶块的约束面积；H为矩形橡胶块的高度；m为形状系数，其大小与橡胶隔振器的约束面积AL与自由面积AF的比值n有关，如图1所示。形状系数的表达式为：

m=f(n)，n=AL/AF    （3）

图1矩形橡胶块

对于矩形橡胶隔振器来说

n=L·B/2(L+B)·H

式中：L为矩形隔振器的长；B为矩形隔振器的宽。

    只要确定了形状系数m=f(n)的表达式，橡胶隔振器的压缩刚度可以通过式（2）计算。而橡胶材料的形状、硬度、变形量都会对形状系数m产生影响。

    上海橡胶研究所总结的形状系数经验公式是：

m=1+1.5n-2n 2+2.5n3

（适用于n>0.2时）    （4）

    日本机械学会总结的形状系数经验公式是：

m=1+2.19n2

（适用于正方体，n较小时）   （5）

m=1-0.39n2-2.73n3

（适用于正方体，n较大时）   （6）

作者简介：秦洪艳（1981—），女，山东潍坊人，三江学院讲师，硕士，主要从事车辆振动方面的研究。
（文章来源《机械设计与制造工程》如需详细资料请联系江苏机械门户网025-83726289）