橡胶隔振器静态特性计算与建模方法的研究

橡胶隔振器静态特性计算与建模方法的研究

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文集编号: 2015012806394

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研究背景下胫腓联合是维持踩关节结构稳定性的重要组成部分之一,在所有踝关节损伤中下胫腓联合损伤约占1-11%。其损伤后诊断错误和治疗不当将影响治疗结果,导致踝关节解剖位置的改变,可能发展为继发性慢性踝关节不稳定,从而导致踝部疼痛和远期创伤性关节炎,以及踝前撞击综合征等并发症。在学科界关于下胫腓联合损伤对踩关节的稳定性影响有多大一直颇具争议,并且临床对其手术治疗时的处理方式上观点也各不相同,主要表现在以下几个方面:植入物的选择方面(螺钉直径、穿越的皮质层数及植入物的材料)、螺钉植入的位置、植入时足踝的体位、术后负重状况、植入物取除的需要与否以及时间选择。下胫腓联合的解剖结构非常复杂,在活体进行韧带损伤后踝关节的生物力学特征研究较为困难。虽然已有不少研究者就此问题做了很多相关的尸体标本的力学研究,并依据研究结果给出了一些指导性的观点,但由于各种研究方法都具有一定的局限性,研究结果并不能完全反映人体的真实状况,故有对其进一步研究的必要。传统骨科生物力学实验方法主要以动物模型或尸体模型为基础,但都有定的弊端和局限性。动物模型在解剖结构和功能上与人类相差太大,因此其结果不能解决有关人类特性的问题;活体实验研究结果虽然最为可靠;但由于实验手段的缺陷往往无法在人体上直接实验,因此在不改生理状态的情况下想得到生物体及内部组织的实验结果十分困难。尸体模型虽然在解剖结构上占据很大的优势,却不具备生物体活组织的特性,且一个标本不能重复使用,使对照研究的可比性大大下降,且实验耗资大,取材来源受限,想得到实验对象内部任意部位的生物力学性能同样十分困难。为了解决这一问题,近年来,随着医学影像技术、三维重建软件以及有限元技术在医学生物力学中的应用和发展,利用数字化技术进行足踝部生物力学研究成为目前学科界的研究热点之一。利用CT扫描图像重建三维模型是目前常用的有限元建模方法,具有精确度高,较好的再现扫描组织的结构,达到良好的几何相似性和力学相似性等特点。与传统力学研究方法相比,有限元方法是一种非常有效的数值计算工具,可以用于研究不规则几何体和具有复杂生物结构的内部研究背景下胫腓联合是维持踩关节结构稳定性的重要组成部分之一,在所有踝关节损伤中下胫腓联合损伤约占1-11%。其损伤后诊断错误和治疗不当将影响治疗结果,导致踝关节解剖位置的改变,可能发展为继发性慢性踝关节不稳定,从而导致踝部疼痛和远期创伤性关节炎,以及踝前撞击综合征等并发症。在学科界关于下胫腓联合损伤对踩关节的稳定性影响有多大一直颇具争议,并且临床对其手术治疗时的处理方式上观点也各不相同,主要表现在以下几个方面:植入物的选择方面(螺钉直径、穿越的皮质层数及植入物的材料)、螺钉植入的位置、植入时足踝的体位、术后负重状况、植入物取除的需要与否以及时间选择。下胫腓联合的解剖结构非常复杂,在活体进行韧带损伤后踝关节的生物力学特征研究较为困难。虽然已有不少研究者就此问题做了很多相关的尸体标本的力学研究,并依据研究结果给出了一些指导性的观点,但由于各种研究方法都具有一定的局限性,研究结果并不能完全反映人体的真实状况,故有对其进一步研究的必要。传统骨科生物力学实验方法主要以动物模型或尸体模型为基础,但都有定的弊端和局限性。动物模型在解剖结构和功能上与人类相差太大,因此其结果不能解决有关人类特性的问题;活体实验研究结果虽然最为可靠;但由于实验手段的缺陷往往无法在人体上直接实验,因此在不改生理状态的情况下想得到生物体及内部组织的实验结果十分困难。尸体模型虽然在解剖结构上占据很大的优势,却不具备生物体活组织的特性,且一个标本不能重复使用,使对照研究的可比性大大下降,且实验耗资大,取材来源受限,想得到实验对象内部任意部位的生物力学性能同样十分困难。为了解决这一问题,近年来,随着医学影像技术、三维重建软件以及有限元技术在医学生物力学中的应用和发展,利用数字化技术进行足踝部生物力学研究成为目前学科界的研究热点之一。利用CT扫描图像重建三维模型是目前常用的有限元建模方法,具有精确度高,较好的再现扫描组织的结构,达到良好的几何相似性和力学相似性等特点。与传统力学研究方法相比,有限元方法是一种非常有效的数值计算工具,可以用于研究不规则几何体和具有复杂生物结构的内部近年来,随着汽车行业的迅猛发展,如何提高汽车的NVH性能也成为人们广泛关注的问题。而动力总成则是汽车的主要激振源之一,对汽车的乘坐舒适性有着很大的影响。动力总成悬置系统用于隔离动力总成与车架之间的振动,其的隔振性能对提高整车的舒适性和行驶平顺性有着至关重要的作用。橡胶隔振器(悬置)是悬置系统的主要隔振元件,应用有限元分析技术对橡胶隔振器进行力学性能分析,从而实现对动力总成悬置系统的优化设计,可以有效的隔离来自发动机和车身的振动,提高汽车的乘坐舒适性。本文总结了前人对橡胶悬置的研究,以两种不同类型的橡胶隔振器为研究对象,运用有限元分析技术研究了橡胶隔振器的静态特性的计算方法以及建模方法。研究内容主要包括下几个方面:1.在阅读了大量的文献的基础上,了解了汽车动力总成悬置系统和悬置元件的发展历程以及研究现状,总结了橡胶隔振器静态特性计算方法的研究现状,概括了橡胶隔振器的结构类型以及应用范围。2.基于橡胶材料的统计热力学和唯象理论,探讨了橡胶材料不同的本构模型的应变能密度函数和超弹性实验方法。测试了橡胶试片在单轴向拉伸、等双轴拉伸和平面剪切应力-应变状态下的应力-应变关系。利用测试得到的应力-应变关系,和应用不同的本构模型,拟合得到了不同模型的材料常数。3.建立两种不同类型的橡胶隔振器的有限元模型。运用HyperMesh进行网格划分后导入ABAQUS进行三向静态特性的仿真分析,获得橡胶隔振器的有限元静态特性计算结果。在MTS833三轴向弹性体测试系统上对橡胶隔振器进行三向静刚度测试,根据橡胶悬置的实际工作载荷情况确定测试载荷,由MTS833实验台的数据处理系统记录的位移激励和载荷的测试数据,合成得到橡胶悬置的力-位移特性曲线。4.对橡胶隔振器的三向静态特性有限元仿真结果与测试结果进行对比。总结了影响橡胶隔振器三向静态特性计算结果精度的各种因素。其中,不同的应力-应变状态对橡胶隔振器静态力-位移关系的影响非常明显。对于单向受拉压的橡胶隔振器,利用三种应力-应变状态下拟合得到的本构模型常数计算得到的静刚度计算值,比只用单轴拉伸应力-应变状态下拟合得到静刚度计算值精度高。对于受纯剪切变形的橡胶隔振器,用平面剪切应力-应变状态的拟合得到的本构模型材料常数计算得到的静刚度,比用三种应力-应变状态拟合得到的本构模型常数的静刚度计算值精度高。5.橡胶材料本构模型的合理选择也是保证橡胶隔振器力-位移关系计算结果精度的一个重要因素。对于一般常用的橡胶隔振器,Mooney-Rivlin模型的计算精度最高,其相对误差均小于10%,其次是Arruda-Boyce模型、Ogden模型、Yeoh模型,计算相对误差较大的是Marlow模型和Van der Waals模型。在实际工程应用时,需要根据橡胶隔振器的结构特点以及受载情况,选取最适合的本构模型。6.橡胶材料的Mullins效应对橡胶隔振器的三向静刚度计算结果有着很大的影响,因此在进行橡胶材料的应力-应变测试时,应该尽量消除Mullins效应对测试结果的影响。而橡胶材料的可压缩性对计算结果影响不大,因此一般定义橡胶材料具有不可压缩性。

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