基于Abaqus的汽车聚氨酯产品结构优化分析
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摘要： 针对某汽车聚氨酯缓冲限位块试验开裂的问题，建立限位块强度仿真模型，分析试验条件下缓冲限位块的拉应力分布情况，指出内部上端凹槽处的应力集中是造成试验开裂的原因.去除凹槽后的优化结构应力分布合理，在极限载荷下不会超过材料的断裂强度，满足设计要求.
关键词： 缓冲限位块； 聚氨酯； 结构优化； 拉应力
中图分类号： U463.82； TB115.1文献标志码： B
引言
汽车缓冲限位块是减振系统中非常关键的零件之一.在国产中高档轿车和商务车中，缓冲限位块通常与弹簧组合使用.当车辆遇到恶劣路面时，弹簧先产生一定的形变，随后缓冲限位块开始吸收冲击能产生形变，满足司乘人员乘坐的舒适性要求和轿车行驶的平稳性要求；同时，减振器和汽车底盘也得到充分保护，能够有效提高减振器的使用寿命[15].缓冲限位块在减振系统中的结构示意见图1.
采用聚氨酯材料制作的缓冲限位块相比于单纯的弹簧系统或橡胶缓冲块，主要有以下优点[6]：（1）良好的压缩性和变形能力；（2）非常优秀的耐动态疲劳性能；（3）良好的化学稳定性，如耐低温、耐老化和耐磨性等；（4）质量更小.
我国涉足聚氨酯缓冲限位块的时间较晚，目前产品开发存在的问题主要体现在2方面：（1）工艺技术不成熟，表面易起泡，影响外观质量和使用寿命；（2）机械性能难以满足要求，试验容易产生开裂破坏.
本文以某款新开发的聚氨酯缓冲限位块为研究对象，在材料满足机械性能要求的前提下，采用结构有限元法[7]，在Abaqus 6.10中通过对限位块静强度计算结果的解读，分析产品疲劳试验开裂的原因，提出优化改良方案，并对优化后的产品进行静强度计算，最终获得满足要求的缓冲限位块结构.
图 1缓冲限位块结构
1原始结构分析
本文研究的缓冲限位块在样品试制阶段进行疲劳试验.试验方案是将限位块放在试验平台上，由金属压头将限位块压缩36 mm.根据减振系统设计要求，缓冲限位块要满足20万次的疲劳寿命而不发生开裂；但在样件试验过程中，产品压缩12万次后发生开裂，见图2.
图 2缓冲限位块样件疲劳开裂
本文参考试验内容建立缓冲限位块结构分析有限元模型，通过对应力分布的分析，查找疲劳破坏的原因.
1.1有限元模型建立
有限元模型的建立和分析在软件Abaqus 6.10中进行.根据缓冲限位块结构特征，取1/2对称模型，采用C3D8R单元划分网格，单元数量为172 134个，网格模型见图3.
根据样件试验条件，建立约束条件和载荷（见图4）.
（1）在对称面上施加对称约束.
（2）建立刚性面模拟试验底座，刚性参考面参考点为全约束.
图 3缓冲限位块有限元网格模型
图 4有限元模型边界条件
（3）建立刚性面模拟试验压头，刚性面参考点约束除U3之外的自由度.
（4）在刚性面与缓冲限位块的接触面以及缓冲限位块上可能发生自接触的各表面，设置接触关系.
（5）根据试验要求，压头刚性面参考点施加向下的轴向位移36 mm.
1.2应力结果分析
试验中样件发生断裂破坏，根据材料力学强度理论，在有限元分析中选取结构的拉应力值进行判断.提取减振器受载后的位移拉应力曲线，见图5.已知该聚氨酯材料的断裂强度（即拉伸极限）为50 MPa.由图5可知，当加载位移为25 mm时产品拉应力超过拉伸极限，说明此时产品局部位置已经开始发生断裂.
图 5位移拉应力曲线
缓冲限位块受载25 mm时的拉应力分布见图6可知，缓冲限位块中超过拉伸极限的位置分布在内部上端凹槽处，亦即此处可能先发生微小尺寸断裂.
图 6缓冲限位块拉应力分布
缓冲限位块为圆周回转结构，加载方向为沿回转轴向，受载时缓冲限位块结构沿轴向压缩的同时沿周向扩张，产品周向产生相对较大的张力；在周向凹槽、孔和圆角位置会出现应力集中，产生较大的应力，并导致在应力集中位置发生初始破坏.该缓冲限位块内部上端的凹槽即属于此类情况，当加载位移达到25 mm时，凹槽位置的拉应力超过50 MPa，开始出现微裂纹.随着产品不断承受疲劳载荷，微裂纹随之扩展，扩展达到一定程度时微裂纹引起大范围的断裂破坏，呈现如图2所示的破坏状态.
由图6可知，除上文提到的凹槽外，缓冲限位块顶部的受载平面位置、外圆周的2个凹槽位置以及底部平面位置，在受载过程中所产生的拉应力相对较大，由此可推测当缓冲限位块受载位移达到35～40 mm时，以上位置皆可能出现微裂纹，且会随着疲劳载荷的施加而不断扩展，导致产品局部破坏，直至失效.
缓冲限位块压缩26 mm的变形云图见图7，可知，缓冲限位块沿轴向的位移是均匀变化的，即产品沿轴向的应变是均匀变化的（应力集中位置除外），在产品工作过程中能够平稳地实现减振的目的，因此，轴向结构不需要优化.
图 7缓冲限位块压缩26 mm的变形云图
经原模型计算分析可见，缓冲限位块的周向形面结构需要优化.
由于缓冲限位块内部上端凹槽为非功能结构，为满足机械性能，可以将其优化去除.另外，由于该产品由聚氨酯材料制作，在发泡过程中容易在尖角位置产生气孔等不良缺陷，因此在结构优化时将关键位置的尖角结构改为圆角.优化前后的结构对比见图8.
（a）优化前（b）优化后图 8缓冲限位块优化前后结构对比
优化后结构具有轴对称特征，采用轴对称有限元建模方法，可以大幅降低计算量，有利于优化分析研究.
缓冲限位块受载36 mm时的拉应力分布云图见图9，从左到右依次为：全局拉应力、面外（周向）拉应力和面内拉应力.显然，优化后缓冲限位块结构表面的拉应力主要分布在内侧的①②区域和外侧的③区域，以圆周方向拉应力为主；纵截面内部拉应力相对较小，且分布较均匀.此结果再次表明，原始结构中在①区域设置凹槽结构必然会引起较大的应力集中，是不合理的结构设计.图 9缓冲限位块受载36 mm时的拉应力分布云图
对优化后的结构重新进行分析，提取位移拉应力曲线，见图10.
图 10优化模型位移拉应力曲线
由图10可知，在加载36 mm时，缓冲限位块拉应力为36.45 MPa，尚未达到拉伸极限，亦即产品不会发生断裂破坏，优化模型符合设计要求.
3结论
（1）缓冲限位块原模型受载25 mm时，在内部上端凹槽处出现应力集中，拉应力超过拉伸极限50 MPa，开始出现微裂纹，且随着交变载荷的施加开始扩展，最终导致产品开裂失效.
（2）优化模型去除引起应力集中的凹槽，受载36 mm时，产品拉伸应力未超过拉伸极限，该优化结构满足设计要求，且优化去除的凹槽属于非功能结构，因此优化方案可行.
（3）在产品试制过程中，运用仿真和优化的方法明确缓冲限位块试验开裂的原因，并提出优化改良方案，加快产品研发速度.参考文献：
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