橡胶减振衬套疲劳寿命预测以及疲劳损伤参量选择

橡胶减振衬套是指动力总成与车架或底盘与车身之间的弹性连接系统，包括汽车动力总成和悬置元件、各种悬架衬套。这些减振衬套设计的优劣和疲劳特性直接影响汽车的乘坐舒适性。而橡胶减振衬套大都在使用中受到压缩、剪切等大变形的周期载荷作用，处于复杂应力状态，疲劳破坏是其主要失效形式之一[2]。为了保证橡胶减振衬套的可靠性和缩短橡胶减振衬套的设计开发周期，需要对橡胶减振衬套的疲劳寿命预测方法展开研究。

疲劳寿命预测研究方法

橡胶减振衬套的疲劳寿命预测研究主要是通过实验和数值模拟来评估橡胶材料在长期振动加载下的疲劳性能。这些研究通常包括以下几个方面：

实验测试：通过在实验室中进行不同振动频率和振幅下的疲劳试验，测量橡胶材料的疲劳寿命。这些试验可以提供橡胶材料在不同工况下的疲劳性能数据。

数值模拟：利用有限元分析等数值模拟方法，建立橡胶减振衬套的数学模型，模拟其在振动加载下的应力应变分布。通过对模型进行疲劳分析，可以预测橡胶减振衬套的疲劳寿命。

材料参数确定：疲劳寿命预测需要准确的材料参数，如橡胶的动态力学性能、疲劳强度和疲劳寿命曲线等。这些参数可以通过实验或者已有的材料数据库获取。

         

图1 材料参数获取      

寿命预测模型：基于实验数据和数值模拟结果，可以建立橡胶减振衬套的疲劳寿命预测模型。常用的模型包括S-N曲线、Wöhler曲线、Miner's规则等。         

需要注意的是，橡胶材料的疲劳寿命受到多种因素的影响，包括振动频率、振幅、温度、湿度、材料老化等。因此，在研究橡胶减振衬套的疲劳寿命时，需要综合考虑这些因素的影响。

图2 S-N橡胶疲劳寿命曲线

疲劳损伤参量介绍

评估橡胶减振衬套的疲劳寿命可以使用多种疲劳损伤参量。以下是一些常用的疲劳损伤参量：        

循环次数（Cycle Count）：通过记录橡胶减振衬套经历的循环次数来评估其疲劳寿命。通常使用振动试验机等设备进行加速疲劳试验，以确定在特定振幅和频率下的疲劳寿命。         

应力幅（Stress Amplitude）：指橡胶减振衬套在振动加载下应力的最大变化值。应力幅是疲劳寿命预测模型中的重要参数，可以通过有限元分析等数值模拟方法来计算。         

应变幅（Strain Amplitude）：指橡胶减振衬套在振动加载下应变的最大变化值。应变幅也是疲劳寿命预测模型中的重要参数。         

应力历程（Stress History）：指橡胶减振衬套在振动加载下应力的变化过程。通过记录和分析应力历程，可以评估橡胶减振衬套的疲劳寿命。

图3 载荷历程       

应变历程（Strain History）：指橡胶减振衬套在振动加载下应变的变化过程。应变历程也是疲劳寿命预测模型中的重要参数。         

动态应力幅（Dynamic Stress Amplitude）：指橡胶减振衬套在振动加载下应力的动态变化范围。动态应力幅是评估橡胶减振衬套疲劳寿命的重要参量。         

这些疲劳损伤参量可以用于实验测试和数值模拟，通过分析它们的变化和相互关系，可以预测橡胶减振衬套的疲劳寿命。需要根据具体情况选择合适的参量，并结合实际工况和材料特性进行综合评估。

当然还有应变能密度、最大主Green-Lagrange应变和有效应力也可以用于橡胶减振衬套疲劳寿命预测的损伤参量。这些参量可以更全面地描述橡胶材料在疲劳加载下的应变和应力状态。

应变能密度（Strain Energy Density）：指橡胶减振衬套在振动加载下的应变能量分布。通过计算应变能密度，可以评估橡胶材料的疲劳寿命。通常使用有限元分析等数值模拟方法来计算应变能密度。

图4 应变能密度云图

最大主Green-Lagrange应变（Maximum Principal Green-Lagrange Strain）：指橡胶减振衬套在振动加载下的最大主应变值。最大主Green-Lagrange应变是衡量橡胶材料在疲劳加载下变形程度的重要参量。

图5 最大主应变云图

有效应力（Effective Stress）：指橡胶减振衬套在振动加载下的有效应力值。有效应力是基于von Mises准则等强度理论计算得出的，可以用于评估橡胶材料的疲劳寿命。

图6 有效应力云图

疲劳损伤参数选择

选择适合的疲劳损伤参量来评估橡胶减振元件的寿命取决于多个因素，包括具体的应用需求、材料特性和研究目的。没有一种损伤参量能够适用于所有情况，因此需要根据实际情况进行选择。

应变能密度、最大主Green-Lagrange应变和有效应力是较常用的疲劳损伤参量之一，它们可以提供对橡胶减振衬套疲劳性能的全面描述。应变能密度可以反映橡胶材料在疲劳加载下的能量耗散情况，最大主Green-Lagrange应变可以反映橡胶材料的变形程度，有效应力可以反映橡胶材料的应力状态。不同的参量可以从不同角度对疲劳损伤进行评估。

在实际应用中，根据具体的研究需求和材料特性，可以选择合适的疲劳损伤参量。通常，通过对不同损伤参量的分析和对比，可以获得更全面和可靠的疲劳寿命预测结果。此外，还可以将多个损伤参量结合起来，综合考虑不同因素的影响，以提高疲劳寿命预测的准确性。

因此，没有一个单一的损伤参量可以被视为最适合的选择，而是需要根据具体情况进行综合评估和选择。