Perusasiat Viscoelastic käyttäytyminen Automotive Systems

Viscoelastic materiaalit yhdistyvät elastinen kiintoaine ja viskoosinen nesteiden käyttäytyminen. Autotekniikan, komponentit kuten kumi holkit, moottorikiinnikkeet, tärinänvaimentimet, tiivistysaineet, ja akustiset vaahtot luottaa tähän ainutlaatuinen duality. Toisin kuin puhtaasti joustavat materiaalit, viscoelastic aineet ovat aikariippuvainen muodonmuutos kuormitettuna: ne edelleen deformoituvat hitaasti latauksen (creep) jälkeen (creep) ja ei heti takaisin, kun kuorma poistetaan (relaxation). Tämä aika herkkyys on kriittinen ennustaa reaalimaailman suorituskykyä ajoneuvoissa, jotka kokevat dynaamiset kuormitukset, lämpötilan ääripäät ja pitkä käyttöikä.

Aika-akuutti vaste: karmiva ja stressin rentoutuminen

Hyypiö kuvaa rasitusta ajan mittaan jatkuvan paineen alaisena. Auton tiivistysaine tai kumitiivisteen osalta hiirulainen voi johtaa tiivistysvoiman menetykseen. Stressin rentoutuminen.Stressin asteittainen väheneminen jatkuvassa rasituksessa vaikuttaa komponentteihin, kuten esiladattuihin pultteihin komposiittirakenteissa tai kiristyneissä vöissä. Näiden ilmiöiden tarkka mallintaminen edellyttää konstitutiivisia lakeja, jotka vievät materiaalin muistin sen lastaushistoriasta.

Lämpötila ja taajuus

Lämpötila ja kuormitusnopeus vaikuttavat voimakkaasti Viscoelastiseen käyttäytymiseen. Aika-lämpötila-superpositioperiaate (TTS) mahdollistaa insinöörien rakentaa pääkäyrät, jotka ohjaavat testitietojen siirtämistä eri taajuuksilla ja lämpötiloissa käyttäen Williams-Landel-Ferry (WLF) -yhtälöä. Tämä periaate on välttämätön autosovelluksille, koska osa voi nähdä -40 °C:n lämpötiloja talvella ja 100 °C:n alipinta-alueilla. Taajuusriippuvuus säätelee sitä, miten dashpot-tyyppiset elementit reagoivat ajon karheuden ja matalataajuisten moottoreiden syötteiden kanssa.

Perinteiset perustusmallit ja niiden rajoitukset

Varhaiset mallit, joissa käytetään jousia ja rihmastoja...Maxwell, Kelvin-Voigt ja standardilineaarinen kiinteä (SLS) ovat edelleen perustuksia oppikirjoissa, mutta eivät vastaa nykyaikaisiin autovaatimuksiin.

Maxwellin malli

Kevät ja viivapot sarjassa ennustaa stressi rentoutumista hyvin, mutta ei voi vangita hiipijä tarkasti. Jatkuvassa stressissä, Maxwell ennustaa määrittelemätön virtaus, joka on epärealistinen ristisidottu kumit.

Kelvin-Voigt-malli

Kevät ja viivapotin rinnakkaisissa malleissa hiipivät, mutta eivät osaa kuvailla stressin rentoutumista. Se ennustaa myös hetkellistä elastista vastetta, joka puuttuu todellisesta viscoelastisesta kiinteästä aineesta.

Standard Linear Solid Model

Lisäämällä toisen jousen rinnakkain Maxwell-elementti tuottaa SLS-mallin, joka paremmin lähentää sekä hiipimistä että rentoutumista. Silti se käyttää vain yhden rentoutumisajan, joten se ei voi edustaa laaja kirjo rentoutumisaikoja havaittu täytettyjä kumia ja polymeerisekoituksia käytetään autojen osia.

Nämä perinteiset mallit soveltuvat yksinkertaisiin, matalataajuisiin ennusteisiin, mutta ne eivät onnistu []SAE[] -kestävyys- ja törmäyskelpoisuusanalyyseihin liittyvissä monimutkaisissa, moniaksisissa ja epälineaarisissa kuormitusolosuhteissa.

Tarkkasimulaation kehittyneet konstitutiiviset mallit

Klassisten mallien rajoitusten poistamiseksi tutkijat ja ohjelmistokehittäjät ovat ottaneet käyttöön kehittyneempiä muotoiluja, jotka ovat sopusoinnussa finite element analysis (FEA) - ja kokeellisen tiedon kanssa.

Yleistetty Maxwell-malli (Prony-sarja)

Tämä malli lisää useita Maxwell-elementtejä rinnakkain, joista jokaisella on erillinen rentoutumisaika ja jäykkyys. Stressin rentoutumiskerroin G(t)[ ilmaistaan seuraavasti:

[[LLT:0]]

Prony-sarjan kertoimet (G i, τ i) kalibroidaan dynaamisesta mekaanisesta analyysistä (DMA) saaduista tiedoista. Kaupallisissa FEA-paketeissa, kuten ANSYS ja Abaqus, yleistetty Maxwell-malli on vakio kuminkaltaisille materiaaleille. Se tallentaa rentoutumisspektrin tarkasti useiden vuosikymmenien ajan ja taajuuden, mikä mahdollistaa melun, tärinän ja karheuden simuloinnin (NVH) ongelmat.

Fracnational Derivative Models

Vaikka kokonaislukujärjestysmallit käyttävät jousia (elastisuus) ja viivapotteja (viskositeetin), murto-johdannaismallit korvaavat dashpotin jousipotilla, jonka konstitutiivinen suhde sisältää stressin tai kannan murto-osajärjestysjohdannaisen. Parametri α (0 < α < 1) interpoloi puhtaan elastisen (α = 0) ja puhtaan viskoosin (α = 1) välillä. Tämä lähestymistapa vaatii vähemmän parametreja kuin Prony-sarjassa, kun se vielä sopii laajaspektriseen dataan.

Fractational mallit ovat erityisen hyödyllisiä materiaaleille, jotka osoittavat teho-lain rentoutumista, kuten hiilimusta-täyteinen kumi käytetään renkaan kulutuspintoihin ja hydraulisiin kiinnikkeisiin. Autosimulaatioalustoihin, kuten COMSOL Multifysics, kuuluvat nyt murto-osa viscoelastisuus. Keskeinen viite on työ [] epälineaarinen murto-johdannaismallit finite muodon.

Schapery... Nonlinear Viscoelastic Model

Suurien muodonmuutosten ja suurten kanta-asteiden ...kuten törmäystapahtuman lineaarinen viscoelastisuus epäonnistuu. Schapery.Strapery.Smalli laajentaa lyhennetyn ajan käsitettä ottamalla käyttöön stressistä riippuvaisia siirtymätekijöitä. Se voi kuvata kovettuvia tai pehmentäviä, jotka esiintyvät polymeerien orientina kuormitettuna. Tämä malli on otettu käyttöön törmäyssimulaatioiden autojen turvallisuusjärjestelmissä.

Lämpötilakodifioidut mallit

Kehittyneet konstitutiiviset mallit sisältävät WLF-siirtymätoiminnon suoraan rentoutumisaikoihin, jolloin ne ovat lämpötilasta riippuvaisia. Yhdistettynä Prony-sarjaan tämä mahdollistaa yhden materiaalikortin, joka kattaa koko käyttölämpötila-alueen kylmäkäynnistyksestä täyteen lämpösaveen.

Toteutus Finite Element Analysis -analyysissa

Kehittyneet konstitutiiviset mallit integroidaan FEA:han materiaalia koskevien aliohjelmien (UMAT, VUMAT) tai sisäänrakennettujen kirjastojen kautta. Prosessiin kuuluu kolme vaihetta:

  1. Kokeileva luonnehdinta:[ DMA-testit useilla taajuuksilla ja lämpötiloissa tuottavat varastointia ja hävikkiä.
  2. Parametrin asennus:[ Kaarevaa vastaavat algoritmit määrittävät Prony-sarjan kertoimet tai murtojärjestysparametrit, jotka minimoivat virheen mallin ja tietojen välillä.
  3. Valinta:[ Yksinkertaiset komponenttitestit (esim. puskurointi) vahvistavat, että kalibroitu malli ennustaa voimaeron hysteesin tarkasti.

Insinöörien on varmistettava, että malli on voimassa suunnitelluilla lastausnopeuksilla. Esimerkiksi vaahtoistuintyyny voi vaatia sekä suuren kannan hyperelastisuutta että pienraiteen viscoelastisuutta. Bergström-Boyce tai Zener, jossa on murto-osainen ripustusastia, pystyy käsittelemään tällaista yhdistelmäkäyttäytymistä.

Autosovellukset syvyyssuunnassa

Nykyaikaiset ajoneuvot luottavat oikeisiin viskoleastisiin malleihin parantaakseen suorituskykyä, turvallisuutta ja mukavuutta. Seuraavat esimerkit korostavat, missä pitkälle kehittyneet konstitutiiviset lait tekevät mitattavissa olevan eron.

Melu, tärinä ja kireys (NVH)

Moottorin asennukset, osarungon holkit ja pakoputkien ripustimet on eristää värähtelyt laajalla taajuusalueella (5...500 Hz). Generalised Maxwell -malli, joka on viritetty Prony-sarjalla, mahdollistaa insinöörien suunnitella holkit kohdennetuilla vaimentamishuippuilla. Simulointi vähentää prototyyppiiteröintiä [[...]NVH-parannuksen [[...] osalta.

Rasituskelpoisuus ja energian imeytyminen

Polymeeriset törmäyslaatikot, vaahtotyhjiöt ja puskurinvaimentimet muuttuvat suurilla nopeuksilla (jopa 100 s−1). Schapery... Schapery... tai nopeusriippuvainen hyperelastinen malli on välttämätön kantavan jäykistämisen sieppaamiseksi. Ilman tarkkoja konstitutiivisia malleja simulaatiot voivat yliarvioida energian imeytymistä 30% tai enemmän, mikä johtaa vaarallisiin malleihin.

Kestävyys ja väsymys Elämän ennustus

Lämmön kertyminen viskoelastisiin komponentteihin syklin aikana johtaa materiaalin pehmenemiseen ja lopulta epäonnistumiseen. Fractional derivative -mallit voivat ennustaa lämpötilan nousua hysteriasta sisäisestä lämmöntuotannosta. Tämä mahdollistaa insinöörien optimoimaan jäähdytyspolut ja materiaalimuodot moottorimoottoreihin ja -pensaisiin, joiden on kestettävä miljoonia sykliä.

Sulkeminen ja yhteystiedot mekaniikka

Öljypannujen, venttiilinkansien ja ovitiivisteiden tiivisteiden on säilytettävä paineistus vuosien mittaan. Ajankohtainen rentoutuminen aiheuttaa puristusvoiman menetyksen. Edistyneet viskolastiset mallit ennustavat, kuinka paljon voimaa hajoaa ajoneuvon käyttöiän aikana, jolloin suunnittelijat voivat määritellä alkupakkaussuhteet, jotka takaavat sulkemisen jopa vuosikymmenten jälkeen.

Autoteollisuuden Viscoelastisen mallintamisen uudet suuntaukset

Perustavan mallintamisen rajapintoja muokataan datalähtöisillä menetelmillä ja moniasteisilla lähestymistavoilla.

Koneoppiminen ja fysiikka - tietoiset hermoverkot

Neuroverkot voivat oppia stressi-rasitussuhteen suoraan kokeellisesta datasta, ohittaen perinteisen parametrin sovittamisen. Fysiikan tietoiset neuroverkot (PINNit) upottavat ohjailevan DIFFERENTIAL EQUATIONS of viscoelastity osaksi tappiofunktiota, tuottavat malleja, jotka ovat sekä data-uskottava ja fyysisesti johdonmukaisia. Varhaiset sovellukset renkaiden mallinnus osoittavat lupaus ennustaa kulumista ja vierintävastusta.

Monitasoinen mallintaminen täytetyn kumin

Hiilimusta ja piidioksidia täyteaineet luovat monimutkaisen verkon, joka antaa kumille sen vahvuuden. Kehitetään molekyylidynamiikkaa (MD) yhdistäviä malleja jatkumoon FEA. Tällaiset monialaiset mallit voivat ennustaa, miten täyttöaukon kuormituksen muutokset vaikuttavat viscoelastisiin ominaisuuksiin, mikä mahdollistaa virtuaalisen materiaalisuunnittelun seuraavan sukupolven matalan kierähdyskestävyyden renkaille.

Integroidut monifysiikan simulaatiot

Autojärjestelmät ovat yhä enemmän kytkettyjä: lämpö-, rakenne- ja akustiset ilmiöt ovat vuorovaikutuksessa. Edistyneet viskoelastiset mallit, joihin sisältyy lämpötilariippuvuus ja lämmöntuotanto, mahdollistavat samanaikaisen lämpömekaanisen simuloinnin. Esimerkiksi jarrulevyn tehoa voidaan arvioida realistisissa jarruskenaarioissa, joissa lämpötila nousee 20 °C:sta 400 °C:seen sekunnissa.

Päätelmät

Vaikka perinteiset jousi-dashpot-mallit tarjoavat käsitteellisiä perustuksia, niillä ei ole sitä uskollisuutta, jota tarvitaan NVH:n ennustaviin simulaatioihin, kolarikelpoisuuteen ja kestävyyteen. Edistyneet mallit. Generalized Maxwell (Prony-sarja), murto-osajohdannaiset, Schapery nonlineaarinen ja lämpötilamuunneltu muotoilu. Kun ne on kalibroitu asianmukaisesti kokeellisia tietoja vastaan, insinöörit voivat optimoida komponentit luottavaisin mielin. Näiden mallien integrointi FEA:n työvirtoihin kehittyy edelleen, ja uudet tekniikat, kuten koneoppiminen ja monivaiheinen kytkentälupaus vieläkin tarkempi. Ottamalla nämä kehittyneet työkalut, autoinsinöörit voivat suunnitella kevyempiä, turvallisempia ja mukavampia ajoneuvoja, jotka täyttävät tiukat suorituskykyvaatimukset.