2005147
宋 健1，邢如飞2
(11清华大学，北京 100084;21沈阳华晨金杯汽车有限公司，沈阳 110044)
[摘要] 采用HyperMesh 软件建立了横向稳定杆的有限元模型，采用实验数据和MSC 1Marc 软件建立了橡胶衬套的模型，按照实际的受力与约束对横向稳定杆的应力与变形进行了仿真计算研究，计算结果得到了试验结果的验证。 关键词：稳定杆，有限元分析
Finite Element Analysis on Stabilizer 2bar with Rubber Bush
Song Jian 1&Xing Rufei 2
11Tsi nghua U niversity ,Beiji ng 100084;21S henyang B rilliance Ji nbei A utomobile Co 1,L t d ,S henyang 110044
[Abstract] A finite element (FE )model for stabilizer bar is built using soft ware HyperMesh ,while a model for spring bush is set up by using experimental data and software MSC 1Marc 1A simulation on the stress and deformation of stabilizer bar is carried out according to actual loadings and constraints 1The simulation result is validated by the test 1
K eyw ords :Stabilizer bar ,Finite element analysis
原稿收到日期为2004年8月17日，修改稿收到日期为2004年11月22日。
1 前言
带橡胶衬套的轿车底盘零部件的有限元分析一直都是CAE 中的难题，而稳定杆[1]的有限元分析是其中的难题之一。稳定杆在与副车架安装处带有橡胶套，在台架试验时橡胶衬套并不取下，而与稳定杆一起进行试验。这就给在带橡胶衬套稳定杆在有限元分析中如何仿真这些试验增加了难度。
在带橡胶衬套稳定杆以往的有限元分析中，通常采用以下两种方法。
(1)忽略橡胶衬套，将该部位定义成全约束或只放开沿整车Y 轴的旋转自由度而其它自由度全部约束。由于没有考虑衬套对系统的反作用，结果误差较大。
(2)用典型坚硬固体等效橡胶衬套。定义杨氏模量10MPa 、泊松比0149，在小应变线性范围内计算，虽考虑了衬套对系统的反作用，但所用等效材料参数和线性分析方法与橡胶所具有的非线性力学特 性相去甚远，因此只能算出大致的结果。
作者采用了MSC/MSC 1Marc 非线性有限元分析软件，用橡胶材料试验数据定义材料特性，并建立较为准确的橡胶衬套的有限元模型，并得到了与台架试验较为接近的结果。
2 橡胶材料本构模型
衬套在汽车底盘带橡胶衬套部件中，采用橡胶材料多为实心橡胶，可视为不可压缩材料。橡胶材料是常见的弹性体，材料具有显著的非线性特征，能够承受极大应变，一般用应变能密度函数描述这类超弹性材料。
对橡胶材料进行假设:(1)橡胶是不可压缩的，而且在变形前是各向同性的;(2)简单剪切，包括先受简单拉伸再在平面上叠加简单的剪切并服从虎克定律。
在以上假设基础上，采用Mooney 应变能函数理论[2]构建模型。
金膜
2005年(第27卷)第5期 汽 车 工 程
Automotive Engineering
2005(Vol.27)No.5
W =C 1(λ21+λ22+λ23-3)+ C 2(1/λ21+1/λ22+1/λ23-3)
其三阶变形形式为
W =C 10(I 1-3)+C 01(I 2-3)+C 11×
(I 1-3)(I 2-3)+C 20(I 1-3)2+C 30(I 1-3)2
式中I 1=λ1+λ2+λ2
3
I 2=λ21λ22+λ22λ23+λ23λ2
1
λ1、λ2、λ3为主应变。
在进行橡胶材料基础性能试验，测得试样的应力-应变曲线后，利用MSC 1Marc 软件程序提供的材料参数曲线拟合功能，便可得到各种材料参数：如C 10、C 01、C 11、C 20、C 30(材料应变系数)等。
3 稳定杆有限元模型的建立及计算
采用HyperMesh 划分网格，并分别用MSC 1Marc 和MSC 1PA TRAN 作为求解器和后处
理器完成有限元的分析。311 几何模型的读入
稳定杆的几何模型如图1。几何模型由CA TI 2A 1V4的
model 格式读入HyperMesh 。
图1 稳定杆的几何模型
312 有限元网格的划分
采用HyperMesh 分别对稳定杆、支架和橡胶套
进行网格划分。稳定杆在工作时，因其两端产生相反方向的位移而产生扭转，并且在结构上是完全对称的，由基本的力学理论可知，稳定杆的中点实际上是固定不动的，相当于一个固定点。为了减少计算量，取稳定杆的左半部分进行网格划分。图2为稳定杆、支架和橡胶套的有限元模型。313 约束和载荷的确定
通过支架的安装孔约束支架的6个自由度，在支架与橡胶套之间以及橡胶套与稳定杆之间施加接触。在稳定杆一个受力端施加Z 向的位移载荷，同时约束稳定杆中点的所有自由度，见图
电梯线束3。
按照稳定杆、支架和橡胶套的接触关系创建接
图2
稳定杆、支架、橡胶套有限元模型
图3 约束和载荷的施加
触对，生成接触单元。由于稳定杆、支架和橡胶套三者之间的摩擦力对分析结果影响不大，所以忽略它们之间的摩擦力。314 材料参数的确定
稳定杆本体：弹性模量=2×105MPa ；泊松比=0129。
支架：弹性模量=211×105MPa ；泊松比=013。橡胶衬套：将由橡胶材料基础性能试验测得试样的应力-应变曲线，利用MSC 1Marc 程序提供的材料参数曲线拟合功能，得到各种材料参数，如C 10、C 01、C 11、C 20、C 30等填入Hyperelastic 材料对
话框。
315 有限元计算和结果
香皂盒用MSC 1Marc 进行非线性应力分析，结果为:(1)稳定杆最大应力为154MPa ，位于节点18628处，见图4;
(2)稳定杆最大位移为25mm ，位于节点18548
处，见图5;
(3)支架与橡胶套的应力和位移见图6至图9。316 结果比较
以MSC 1Marc 计算结果为初始值，对稳定杆进行疲劳强度校核，其材料的S -N 曲线见图10。经过理
论计算，其应力最大处的疲劳寿命为11178万次，而稳定杆台架试验的结果为：样品-循环次数为1215638万次后断裂，样品二循环次数为1016831万次后断裂，断裂部位见图11。通过对比分析可见
・
395・2005年(第27卷)第5期 汽 车 工 程
图4
稳定杆最大应力云图图5
稳定杆最大位移云图
图6
支架最大应力云图
图7
支架最大位移云图
图8
橡胶套最大应力云图
图9 橡胶套最大位移云图
钼板坯本例的分析结果与实物的试验结果是非常接近的。
图10 材料的S -N 曲线 图11 台架试验断裂部位
4 结论
(1)用MSC 1Marc 非线性有限元分析软件可以
解决带橡胶衬套的轿车横向稳定杆的分析问题，其
计算结果与台架试验结果较为接近。
组合鞋架(2)由于橡胶衬套为实心体模型，因此有限元模型也以体单元为主，所建模型一般比较大，而非线性分析计算又要有较大的计算机内存和硬盘并占用较多的机时。
参考文献
1 耶尔森・赖母帕尔(德).汽车底盘基础.北京：科学普及出版社,
1992
2 Rivlin R S.Rheology :Theory and Application.New Y ork :Academ 2ic Press ,1956
・495・汽 车 工 程 2005年(第27卷)第5期
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