粘弹性材料与液体耦合结构高频动力学特性分析与实验方法研究

There are many circumstances in the field of mechanical engineering that structures and fluid interact with each other, such as pipelines, shock absorbers, tanks, ships, rockets, etc. If the elasticity and damping effect cannot be neglected, the materials may show significant viscoelastic characteristics under high-frequency excitations, and then it should be considered as viscoelastic material. Hydraulically Damped rubber Mount (HDM) is a typical case which is widely used for isolation and support of vehicle power units. This research will discuss viscoelastic properties of rubber materials, and investigate high-frequency characteristics of rubber structures using Finite Element Analysis (FEA) and a Step-by-Step approach, which simultaneously includes large deformation, frequency-dependent and amplitude-dependent dynamic characteristics. As an example, a whole-body finite element model of HDM will be created, and its high-frequency characteristics will be analyzed using direct Fluid-Structure Interaction (FSI) method. Experiment will be conducted to examine the results, and then the analysis and experiment process is created which meets the engineering precision and focuses on the high-frequency characteristics of viscoelastic material and fluid coupled structures. The model and the method will help to analyze the influence of decoupler and spoiler on the characteristics of HDM. The working process of the spoiler and the reason why high-frequency dynamic stiffness is lowered will be discussed, which in the future can be a theoretical support to the design and optimization of this kind of structures.

在机械工程领域存在多种结构与流体耦合作用的情况，如输油管道、减振器、储液罐、舰船、火箭等。如果结构材料的弹性和阻尼不可忽略，在高频激励下可能呈现显著的粘弹性特性，此时应当将其作为粘弹性材料处理，比较典型的是在车辆动力装置隔振领域得到广泛应用的液阻型橡胶隔振器，如液阻悬置和液压衬套等。本项目拟从橡胶材料的粘弹性特性入手，采用综合考虑大变形、频变和幅变动态特性的分步式建模与分析方法进行橡胶结构的建模与高频动态特性的有限元分析；采用液-固直接耦合方法和一体化有限元建模技术进行液阻型橡胶隔振器的建模与高频动态特性的仿真分析，同时对计算结果进行实验验证，以建立满足工程精度需要的粘弹性材料与液体耦合结构高频动态特性的分析与实验方法。在此基础上研究解耦膜和节流盘的结构参数对液阻型橡胶隔振器动态特性的影响规律，分析节流盘的工作过程以及能够降低高频动刚度的原因，为这类结构的设计与优化提供理论支持。

机械工程领域存在多种粘弹性材料与流体耦合作用的情况，在汽车上得到广泛采用的液阻型橡胶隔振器就是其中之一。高频激励下橡胶材料的精确的建模一直是有限元分析过程中的难点。本课题从橡胶材料的粘弹性特性入手，提出了一种综合考虑大变形、频变和幅变动态特性的分步式建模与分析方法，可以更加精确地分析橡胶结构在高频激励下的动态行为，同时降低有限元建模和计算的难度，减少求解时间。在常见的液阻型橡胶隔振器基础上进行结构改进，设计了一种保持低频大阻尼特性且具有更高承载能力的液柱共振式液阻型橡胶隔振器；结合液-固直接耦合有限元分析技术，建立了隔振器的一体化有限元模型，进行了不同激励频率下的动态特性计算。根据可视化的计算结果分析了隔振器中各结构组件的变形情况和液体的流动情况，讨论了隔振器的工作过程和减振机理，结果表明液柱通道内液体的流量大小及其相对于橡胶主簧运动速度的滞后特性是隔振器低频大动刚度和大滞后角形成的主要原因；解耦膜在较低频率的激励下也会发生变形，并影响隔振器内部不同位置液体的流动状态，进而改变其动态特性；通过增加解耦膜数量、降低解耦膜刚度均可显著降低动刚度和滞后角的低频峰值及其对应的频率。通过在原方案基础上增设不同结构参数的节流盘并计算其动态特性，结果表明节流盘的设置明显降低了动刚度和滞后角的低频峰值及其对应频率，带有不同结构参数节流盘的隔振器的低频动态特性曲线存在两个交点，并在交点两侧呈现不同的变化规律。通过对初始设计方案低频动态特性的实验研究验证了一体化有限元建模的可行性和准确性，基于液-固直接耦合分析技术的有限元建模方法能够有效反映隔振器内部结构的实际工作过程和动态特性的变化规律，可以用于具有复杂结构的液阻型橡胶隔振器的性能分析和结构设计中。