第6章-液阻悬置液固耦合非线性动力学仿真分析

第六章液阻悬置液一固耦合非线性动力学仿真分析

本章利用液一固耦合非线性有限元分析方法对液阻悬置的动特性进行仿真。首先，以

二维阻尼孔式液阻悬置为研究对象，论述了液阻悬置液一固耦合分析的建模、分析方法，

和可以得到的根本结果。建立了惯性通道一解耦板液阻悬置三维液一固耦合有限元分析模

型，对其静、动态特性进行了分析，并和实验值进行了比照。计算分析了液阻悬置液室上

下液室和惯性通道中的压力分布，以及惯性通道中流体流动的速度分布，结果说明，液阻

悬置在工作时，上下液室的压力分布几乎是均匀的，因此在集总参数模型中，将上下液室

的压力假定为均匀分布是合理的；通过对惯性通道液体流动速度的分析，得到了与液阻悬

置减振机理一致的结论。建立了惯性通道一解耦膜液阻悬置液一固耦合有限元分析的模型，

对其特性进行了初步分析，说明液一周耦合有限元分析，对于其它类型液阻悬置特性的分

析也是可行的。

汽车工业中有大量的用于减振和传递动力的液压元件，在这些液压元件中，均存在着

液体与弹性结构的相互作用问题。为了建立其精细的CAE模型，必须考虑液体与固体的相

互作用，而目前在这方面的研究并不多。本章虽然是月液一固耦合有限元分析方法对液阻

悬置的动特性进行分析，其研究方法也适用于其它液压元件静、动态的分析(如汽车制动

器ABS,筒式减振器等)。

6.2液阻悬置二维液一固耦合有限元分析

本节建立节流阻尼孔式液阻悬置二维液一固耦合有限元分析的模型，论述液阻悬置液

一固耦合有限元分析的根本方法和可以得到的分析结果。

图6-1为节流阻尼孔式液阻悬置二维液一固耦合有限元分析模型。在固体的有限元模

型中，橡胶主簧和底膜由橡胶材料制成，选用Ogden3阶超弹性本构关系描述其力学性能,

液体的密度和粘度视为常数。液体与固体的接触面(线)定义为液一固耦合边界(FSI边

界)。在液体的模型中，上液体的底面、下液室的上面和阻力孔两侧的面定义为刚性不可滑

移的壁面。

在对液阻悬置的动特性进行分析时，首先在橡胶主簧的上外表施加一预载荷，然后再

施加一正弦位移鼓励。加预载(5mm)后，固体与液体网格的变形和液室的压力分布见图6-2o

由图可见，加预载后，上下液室有一定的预压力，且均匀分布。

(a)固体模型(b)液体模型

图6-1液阻悬置二维液一固耦合有限元模型

5MOO1HED

PRESSURE

RSICMC

HME3

图6-2加预载后固体和液体模型的变形

当动态的激振振幅为1mm,激振频率为10Hz时，在某一时刻，液室的压力分布和液

体流动的速度分布见图6-3,可见，在阻尼孔附近液体的流速较大。图6-4为激振位移一动

反力曲线，由图可见，由于阻尼孔的节流，使动反力和激振位移之间具有一定的迟滞效应。

(a)压力分布(N/m2)(b)速度分布(m/s)

图6-3液室的压力分布和速度分布

图6-4动反力一位移曲线

6.3惯性通道解耦板液阻悬置三维液一固耦合有限元仿真分析

固体的有限元模型由橡胶主簧、底膜和解耦板组成，如图6-5所示。橡胶主簧和底膜

的材料为橡胶，其性能参数相同。图6-6为Buick轿车用液阻悬置橡胶主簧的结构图，在

橡胶主簧中有金属插入件，起承载和传力的作用，与橡胶的变形相比，金属的变形可以忽

略不计，因此，在橡胶主簧的模型中不包括该金属插入件，而只需施加相应的约束方程。

液阻悬置的动特性主要是指垂直方向的动刚度和滞后角，因此橡胶主簧的边界条件为：令

与金属件硫化在一起的平面A、B、C和D面上所有的结点在Z方向上位移相等，同时令

这几个平面上所有结点在XY方向上的位移为零；橡胶主簧的外外表（E面）与金属硫化

在一起，并且该金属件固定安装在车身上，因此令该面上所有结点的位移为零。橡胶材料

选用超弹性本构关系中的3阶Ogden模型，该模型仅能描述其弹性特性，由于橡胶主簧的

滞后角随激振振幅和激振频率的变化不大，并且滞后角一般在2。〜8。之间，因此在橡胶主

簧的模型中，将其滞后角视为常数。

⑶儿何模型（b）有限元模型

图6-5固体的模型

图6-6橡胶主簧的剖曲图

图6-5中的解耦板为刚性的板，仅能在Z方向的自由行程内运动。当解耦板在其自由

行程内运动时，作用在解耦板上的力只有液体的阻尼，而当其到达上、下极限位置时，上

下液室的隔板给解耦板一个很大的反力而使得解耦板的运动停止。为了描述解耦板的这种

运动特性，在解耦板与固定点之间连接一个非线性弹簧，弹簧的刚度为

k=吟），(6-1)

式中心为解耦板运动的位移，△为解耦板自由行程之半，E、「为正的常数，且厂为偶数。

在固体的有限元模型中，橡胶主簧和底膜的内腔平面与液体相接触的面定义为液一固

耦合面；解耦板的上下外表与液体相接触，也定义为液一固耦合面；底膜的上平面为固定

面。

图6-7液体的模型

液体的有限元模型由上、下液室和惯性通道组成，如图6-7所示。上液室底部的大平面

上有小孔与惯性通道相连，该平面的其它局部与上下液室的隔板接触，定义为刚性不可滑

移的壁面。该大平面以上的其它面均与橡胶主簧接触，定义为液一固耦合面。在上液室底

部大平面的下面，凸起一局部，其底面与解耦板接触，定义为液一固耦合面，该凸起局部

四周的面定义为刚性的不可滑移的壁面。下液室上部的大平面上有一小孔与惯性通道相连,

该平面的其它局部与上下液室的隔板接触，定义为刚性的壁面，此大平面以下的面与橡胶

底膜接触，定义为液一固耦合面。在下液室上部大平面的上面，凸起一局部，此局部的上

平面与解耦板接触，定义为液一固耦合面，该凸起局部四周的面定义为刚性的不可滑移的

壁面。惯性通道的入口与出口用iFacelink'命令分别与上、下液室出口与入口相连，其

它的面均定义为刚性的壁面。液体视为不可压缩，其

密度和粘度视为常数。

6.3.3静态特性的仿真结果

图6-8液阻悬置静态液一固耦合有限元分析结果

静特性的分析时，固体模型用8结点的六面体单元、液体模型用4结点的四面体单元

进行离散，固体和液体模型中单元的最大尺寸分别为6mm和5mm。模型共有27666个单

元，13310个结点，其中液体模型的单元数为18971、结点数为4615,该液一固耦合有限

元分析模型总的自由度数为53236。液阻悬置的静特性分析是求作用于液阻悬置橡胶主簧

上外表A上的力与其位移的关系，和液室的静态压力，图6-8为计算的力一位移曲线与实

验值的比照。由图可见，两者吻合的较好。图6为当作用在A面上的力为2000N时，固体

和液体有限元网格的变形及其液体的压力分布。由图可见，在静态加载时，上下液室的压

力几乎可视为均匀分布。

5MOOIHED

PRESSURE

14940.

M820-

r-14700.

-14580.

-14460.

-14340.

-14220.

(a)固体的变形图(b)压力分布图(N/m?)

图6-9液阻悬置的静态有限元分析

6.3.4动态特性的仿真结果

在进行动特性的计算时，作用在橡胶主簧上外表(A面)的位移载荷为

x(t)=x0+Asin(2m)(6-2)

上式中，孔为作用在液阻悬置上的静态位移，其值取决于液阻悬置的静态工作载荷，A、/

为动态位移激振振幅和频率。

1.低频动特性

当激振振幅为1.0mm,激振频率为5Hz、10Hz和20Hz时液阻悬置动反力的计算值和实

验值分别见图6-10所示。由图可见，计算值和实验值吻合的较好，并且动反力和加载位移

之间的迟滞效应明显。

利用液一固耦合有限元模型对液阻悬置动特性仿真时，可以求出上、下液室和惯性通

道的压力和速度分布，而利用集总参数模型时，仅能求出上下液室的压力。当激振振幅为

1.0mm、激振频率为10Hz,在不同的时刻3上、下液室和惯性通道的压力分布如图6-11

所示。

(a)5Hz

(b)10Hz

(c)2OHz

图6/0动反力的计算值与实验值的比照

SMOOTHED

PRESSURE

t47500-

42500.

p3750C).

-3250CJ.

-275IXJ.

-22500.

-17500.

SMOOTHED

PRESSURE

t64000.

56000.

-48003.

P40000.

t32000.

P24000.

t16000.

SMOOTHED

PRESSURE

t56667.

50000.

-43333.

f-36667.

t-30000.

,23333.

t16667.

SMOOTHED

PRESSURE

t30000.

27600-

-25200.

-22800.

-20400.

-18000.

-15600.

SMOOTHED

PRESSURE

t12000.

6000.

Po.

J--6000.

f--12000.

t-18000.

t-24000.

SMOOTHED

PRESSURE

t-10000.

t3333.

-3333.

-10000.

•16667.

-23333.

■30000.

SMOOTHED

PRESSURE

t20500-

19500.

-18500.

f-17500.

t16500.

t15500.

t14500.

图6-11压力分布（N/n?）

由图6-11可见，在不同的时刻，上下液室的压力分布几乎是均匀的，因此在集总参数

模型中，假定上、下液室的压力为均匀分布是合理的；而当时间t不一样时•，惯性通道上

压力的梯度较大。当激振振幅为1.0mm、激振频率为10Hz,上下液室压力时间历程见图

6-12,由于液体要流经惯性通道，因此下液室的压力明显滞后与上液室。

图6-12上下液室的压力

当激振振幅为1.0mm,激振频率为10Hz和30Hz时，上液室压力的计算值和实验值见

图6-13。与利用集总参数模型计算得到的上液室压力相比（图5-32）,利用液一固耦合有限

元分析计算得到的结果与实验值更为接近，这是因为在液一周耦合有限元分析时，考虑了

液室的静态工作压力。

0.00.1，g30.30.40-00000750-100

(a)10Hz(b)30Hz

图6-13上液室的压力

当位移激振振幅为LOmm、激振频率为10Hz,在不同的时刻t,惯性通道水平面上的

速度分布如图6-14所示，惯性通道横截面上的平均速度见图6-15。由图6-15可见，惯性

道道横截面上的最大平均速度可达2.54m/s,而激振的最大速度为62.83mm/s,惯性通道中

液体的流动速度放大了近40倍，因此有些文献称液阻悬置为“速度放大型动力减振器”1川。

ZVV

-1.000

r0-500

t-3-900

t3.3(h)

2.700

2.100

0.900

0.300

t2.600

22g

-1800

-0.600

-0^00

VELoenr

t-2.100

上1^00

1.500

1200

0.900

-0.600

p0.300

VELOCITY

t5.000

「3.300

-2.700

-2.100

?1.500

-0.900

-0.300

图6-14惯性通道水平向上的速度分布（m/s）

当激振振幅为1.0mm、激振频率为10Hz,解耦板的位移和速度的时间历程分别见图

6-16、6-17,由图6-16可见，其位移一时间历程与其物理运动规律相似，说明用指数模型

描述解耦板的运动规律是适宜的，解耦板的最大位移可达0.7mm,说明ALE方法在处理液

体边界有大位移运动时是有效的。由图6-17可见，当解耦板的速度到达最大值以后，很快

的下降为零，这是因为解耦板与隔板相接触的原因。解耦板的速度并不是很大，因此在低

频、大振幅激振时，解耦板大局部时间都处于关闭状态。

图6-18为利用液一固耦合有限元分析计算得到的液阻悬置动刚度和滞后角和实验值的

比照曲线。与利用集总参数模型的计算结果（见图5-30）相比拟，利用液一固耦合有限元分

析计算的结果与实验值的误差要小。

0.8-0.15

0.6-0.10

0.4-

0.05

0.2-

0.00.00

-0.2-0.05

-0.4-

-0.10

-0.6-

-0.8-■0.15

0.00.0

图6-16解耦板的位移图6-17解耦板的速度

6.4惯性通道一解耦膜液阻悬置三维液一固耦合有限元仿真分析

在惯性通道一解耦板液阻悬置液一固耦合有限元分析的固体模型中，将解耦板的四周

固定，并假定解耦板的材料为橡胶材料，而液体的模型不变，即得到了惯性通道一解耦膜

液阻悬置液一固耦合有限元分析的模型。为了便于计算，假定解耦膜材料的特性与橡胶主

簧和底膜材料的特性相同。

当在橡胶主簧的A面上加2000N的预载后，固体和液体的变形图见6-19。由于加预载

的过程为静态的，由固体和液体的变形图可见，此时解耦膜几乎不变形，上下液室之间液

体的流动主要通过惯性通道。比照图6-9图6-19可见，当加静载荷时，无论对于惯性通道

一解耦板液阻悬置，还是对于惯性通道一解耦膜液阻悬置，其液室产生的静态压力相同。

700

650

600

550

500一米—

450

400

350户M

300

1020,.304050

30

25

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5

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(a)动刚度(b)滞后角

图6/8液阻悬置动特性的计算值与实验值的比照