隔振器有限元分析及轻量化设计
首先，使用高强度低密度材料铝合金替代原材料C45，用CATIA软件建立结构的实体模型，导入Hypermesh中得到金属橡胶减振器有限元分析模型。
然后，对铝合金材料制作的金属橡胶减振器进行静强度特性分析，分析结构件应力、 变形的分布，证明铝合金材料的减振器在满足强度的前提下实现质轻量化。找出待改进的位置（这些位置包括有应力集中、出现过失效、最大应力处等），通过改进后的结构 件进行静力特性分析，证明改进后的减振器应力集中处应力值的大小降低了，甚至消失， 最大应力减小达到改进效果。
1.仿真建模
建立三维几何模型的作用是对实物几何特征和基本约束特征的一种近似模拟，客观地描述了实物的基本特性和主要特征。利用建模软件CATIA建立金属橡胶减振器的三维几何模型，其过程一般分为以下几个方面：
（1）分析实物几何参数与基本特征
建立模型需遵循足够的精确性和良好的经济型的原则，因此，了解实物主要的设计 参数、结构特性和约束条件等是能建立正确几何模型的首要工作。减振器的主要设计参数如图1.1。
图1.1 减振器的主要设计参数
（2）模型的简化
研究的金属橡胶减振器是某大功率柴油机的弹性支承，由座轴盖、上下金属网 块和防尘圈六个零部件组成。为了使建立几何实体模型既能反映减振器的重要几何特性， 又能尽量采用少的结构单元，保证更高更精确的计算效率，对减振器模型进行简化是十 分有必要的。同时，模型简化正确性直接影响对模型进行更深入的研究，所以，简化模 型必须要本着实事求是的原则，对减震器简化分为下面两方面：①省略防尘圈。防尘圈， 顾名思义其作用主要是防止尘埃和油垢等杂志渗入减振器内部影响减振效果和减振器 的寿命；同时，考虑到减振器的工作环境，减振器主要受力部件为座轴、网块，受力 主要是垂直力和横向力，防尘圈并不受力。因此，防尘圈在建模过程中可以将其忽略。 ②用橡胶替代金属网块。金属橡胶的阻尼元件是由螺旋金属丝相互交错形成的，其构造相当复杂，在工作中主要是减振作用，换言之，对支撑件来说，网块的起到传递力的作 用。考虑到本文主要是对金属橡胶支撑件进行轻量化，因此，用橡胶结构替代金属网块。
（3）建立实体模型
通过分析，减振器有五个零件：座轴盖、上下金属橡胶块，对于这种复杂的模型， 对其进行模型分解。在三维建模软件CATIA中，完成各零件的模型建立后，再通过布 尔运算进行装配得到需要的减振器模型。对各零件的设计需要先整体后局部的思想，同时要兼顾相互之间的关系。
（4）模型细节特征修饰
任何三维实体模型建模后期都需要对其进行细节特征的处理，比如拔摸、倒角等处 理，在CATIA的Part design模块中，通过各类实体特征命令，对实体进行编辑修饰。 通过一系列的建模与完善细节特征后，金属橡胶减振器的修饰前后模型如下图1.2所示。
1.2金属橡胶减振器修饰前、后的模型对比
2.金属材料的选择
金属橡胶减振器作为某大功率柴油机的弹性支承，工作环境复杂， 需要减振器结构件具有高强度、耐腐蚀等性能。综合对减振器的轻量化，选取7075型 铝合金替代原材料C45。7075型铝合金具有高强度、耐腐蚀和良好的机械性能等优点， 基本满足工作环境的要求。铝合金材料与45钢的基本力学性能对比如表2.1所示：
2.1钢材与铝合金基本力学性能
金属橡胶减振器在实际使用时的载荷和工况非常复杂，这其中涉及到动力总成的几 何参数以及力学性能，同时也要考虑减振器的安装布置，如数量、位置、角度等等。通 过加载最大载荷有限元仿真，分析减振器零部件结构强度和刚度是否满足要求。这里主 要针对两种工况进行分析：①垂直压缩载荷时，减振器座的静强度特性分析；②横向载 荷与垂直拉伸时，减振器轴和座的静强度特性分析。减振器承受载荷时，所有的作用力将直接作用在连接处（减振器的盖）上。通过力的传递减振器的座也受到相同的力（减振元件起到缓冲冲击载荷的作用，这把发动机 的动载荷简化为静载荷提供一定的理论依据）。对受垂直向下载荷的减振器部件进行结 构静力分析时，为保证结构的安全可靠，将可能受到的最大动载荷简化为3倍最大静载荷来分析计算。将载荷均匀分布在座的接触面上，约束座三个方向的自由度。把载荷和约束施加在结构件上，减振器部件座的应力变形计算结果如下图2.1图2.2示：
图2.1零部件座的应力分布云图
图2.2 零部件座的Y向位移分布云图
当减振器工作时，由于发动机产生的不平衡惯性力和倾覆力矩的作用，部件轴会受到工况二的受力情况，轴通过阻尼元件对座有一个向上拉伸的力。通过分析在这样的受 力情况下，结合考虑保证结构的安全和动力总成重力消耗的力，拉伸载荷为3倍最大静 载荷，横向载荷取最大静载荷进分析。铝材部件座、轴的静力分析结果如下图2.3图2.4、图2.5所示：
图2.3 零部件座的应力分布云图
图2.4 零部件座的Y向位移分布云图
图2.5 零部件轴的应力分布云图
在机械制造中，塑性材料在静载荷的情况下，安全因数在1.2~2.5。所以选择铝合金7075作为轻量化材料，铝合金材料的屈服强度为455MPa，因此可取许可应力
182MPa。座在两种工况下的最大应力分别为32.57MPa、27.6MPa，轴在组合 载荷工况下的最大应力为41.28MPa，均小于铝材的许用应力。同时，两种工况下轴、 座部件的最大位移数量级为-2。综上，证明铝合金材料换材料实现减振器的轻量化是可行的。
3.应力集中与改进
金属橡胶减振器部件受到循环载荷的作用力，从应力云图可以得到如图2.6的位置 ①、②、③具有应力集中的现象：在位置①，作为减振器零部件座的结果转角处，在垂 向力的作用下，均会产生应力集中。当在垂向向下时其过渡处（由于结构高度对称，整个棱角的附近受力可视为相等），转角位置平均受力为30.14MPa，很接近整个部件在此 工况下的最大应32.57MPa。在组合载荷的作用下，转角位置平均受力大小为21.7MPa， 与最大应力值27.6MPa比较接近。考虑到有集中应力的出现，结合受力较大，位置①考虑结构改进。在位置②，在工况一的作用下，其应力集中的现象十分明显。当垂直向下 作用力时，整个边缘处就是受力最大的地方，大小为32.57MPa；当组合工况下，受力 为10.2MPa，与应力最大值27.6MPa有一定距离。综合考虑，位置②需结构改进。在位 置③轴在减振器部件（除弹性阻尼元件外），受到的力最复杂，位置③的直角沟槽有应 力集中现象。在实际的工作中，减振器也在位置③发生过失效的实例。从下图可以看到， 应力集中处的应力值为41.28MPa，为工况二下的最大应力值。由此，位置③考虑结构改进。
2.6减振器结构件应力集中位置
位置①、③都出现了应力集中地现象。由此，决定对减振器主要结构件轴、座进行结构改进分析。改进的目的：（一）在换新型材料铝合金后，通过结构尺寸改进进一步轻量化减振器的重量；（二） 减小应力集中的影响，甚至消除应力集中。
