汽车系统维斯科弹性行为的基本原理

粘性材料结合了弹性固体和粘性液体的行为。 在汽车工程中,橡胶灌木、发动机挂载、振动坝体、密封剂和声学泡沫等部件依赖于这种独特的双重性。 与纯弹性材料不同,粘性物质在负载下表现出了依赖时间的变形:在装入后(creep)继续缓慢变形,在卸载(松动)时不会立即恢复。 这一时间敏感性对于预测在经历动态负载、温度极端和长时间使用寿命的车辆中真实世界性能至关重要。

时间依赖性反应:紧张和压力放松

克里普描述了压力在恒定压力下随时间而逐渐增加的情况。 对于汽车密封剂或橡胶垫子来说,蠕动会导致失去密封力。 压力放松 — — 常定压力下压力的逐渐减少 — — 影响复合结构或紧张带中预装螺栓等组件。 准确模拟这些现象需要具备材料装药历史记忆的构成定律。

温度和频率依赖性

维斯科力行为受到温度和加载率的强烈影响. 时间温超位原理(TTS)允许工程师利用威廉姆斯-兰德尔-费里方程构建跨越频率和温度的变换测试数据的主曲线. 这一原则对于汽车应用来说是不可或缺的,因为一个组件可能在冬季看到-40 °C,在100 °C的下层环境中看到. 频率依赖性支配着类似破碎点的元素如何响应道路粗糙度产生的高频振动,而引擎闲置产生的低频输入.

传统组织模式及其限制

早期使用弹簧和破碎点的模型——马克斯韦尔,开尔文-沃伊格特,以及标准线性固体(SLS)——在教科书中仍然具有基础性,但对于现代汽车要求却还不足.

麦斯韦尔模型

弹簧和破碎的点数系列预测压力放松会很好,但不能准确捕捉蠕动。 在不断的压力下,麦克斯韦尔预测了无限制的流,这对交叉连接的橡胶来说是不现实的。

开尔文-沃伊格特模式

平行模型中的弹簧和破碎点会蠕动,但无法描述应力的放松。它也预测了真实粘性固体中不存在的瞬间弹性反应。

标准线性固态模型

与Maxwell元素平行添加另一个弹簧会生成SLS模型,它更能大致地反映蠕动和放松。 尽管如此,它只使用一个放松时间,因此它不能代表在装填的橡胶和汽车零件使用的聚合物混合物中观察到的宽度放松时间。

这些传统模型足以进行简单,低频的预测,但在SAE[耐久性和可坠落性分析所典型的复杂,多轴,非线性装载条件下发生故障.

精准模拟先进组织模式

为了解决古典模型的局限性,研究人员和软件开发人员采用了更复杂的配方,与有限元素分析和实验数据一致.

通用的Maxwell模型(Prony系列)

这个模型平行地增加了多个Maxwell元素,每个元素都有明显的放松时间和僵硬度. 压力放松的模态G(t)[表示为:

Prony系列系数(G i, ⁇ i)是从动态机械分析(DMA)数据校准的. 在ANSYS[和Abaqus等商业FEA包中,通用的Maxwell模型是橡胶类材料的标准,它能准确捕捉到数十年的时间和频率的放松谱,从而能够模拟噪音,振动,以及严酷性(NVH)问题.

小数衍生模型

整数顺序模型使用弹簧(弹性)和破碎点(微缩),分数衍生模型则用一个弹簧点取代破碎点,其构成关系涉及压力或紧张的分数顺序衍生。参数α(0 <α < 1)在纯弹性(α = 0)和纯粘性(α = 1)行为之间插值。这种方法需要比Prony系列更少的参数,同时仍然适应宽谱数据。

小数模型对于显示动力法放松的材料特别有用,如轮胎胎面和液压挂架中使用的碳黑填充橡胶. COMSOL多物理学等汽车模拟平台现在包括分数粘性. 一个关键参考是在有限变形中非线性分数衍生模型的作品.

沙佩里的非线性双曲线模型

对于大型变形和高压力率(如在坠机事件期间),线性粘性失效。 Schapery的模型通过引入压力依赖的转向因子来扩展缩短时间的概念。它可以描述作为负载下的聚合物而发生的硬化或软化。这个模型正在被应用于汽车安全系统的坠机模拟。

温度改进模型

高级构型将WLF转向功能直接纳入放松时间,使其依赖于温度。结合Prony系列,可以使用单一的材质卡来覆盖从冷启动到全热浸的整个操作温度范围。

有限要素分析中的执行

高级结构模型通过材料子程序(UMAT,VUMAT)或内置库整合到FEA中。

  1. 实验性特征: 多频率和温度的DMA测试产生存储和丢失的moduli.
  2. 帕米特装配: 曲线调配算法确定Prony系列系数或分数顺序参数,以尽量减少模型和数据之间的错误.
  3. 变异: 简单的组件测试(如灌木压缩)证实校准模型准确预测了力位迁移的歇斯底里.

工程师必须确保模型对预期的装载率有效。 比如,泡沫座垫既需要大板弹性,也需要小板粘度。 高级模型如带分数短板的Bergström-Boyce或Zener,可以处理这种综合行为。

深度中的汽车应用

现代车辆依赖精确的粘性模型来改善性能、安全和舒适。 以下例子凸显出先进的构成法能产生可衡量变化的方面。

噪音、振动和哈什内斯(NVH)

发动机挂载、子框架灌木和排气架必须隔离跨广频域的振动(5–500赫兹 ) 。 通用的Maxwell模型与Prony系列相调制,使工程师可以设计带有目标坝顶的灌木。模拟可以减少NVH精细化的原型迭代。

碰撞和能源吸收

聚变速箱、泡沫充气管和保险杠吸收器在高速(最高100 s−1 ) 下发生大变形。 需要Schapery的非线性模型或依赖率的超弹性模型来捕捉菌株的强度。 没有精确的结构模型,模拟可能高估能量吸收30%或以上,导致不安全的设计。

杜鲁比和肥胖生命预测

循环加载时粘性组件的热积导致材料软化并最终失败. 小分型衍生模型可以预测由歇斯底里内部热生成产生的温度升高,这使得工程师可以优化发动机挂载和灌木的冷却路径和材料配方,这些必须经受上数百万循环.

密封和联系机械师

油锅、阀门盖和门封盖的垫片必须保持多年的压缩。 时间依赖的放松会导致钳力的丧失。 先进的粘性模型预测在车辆寿命期间的强度衰减程度,使设计者能够指定初始压缩比,保证即使在几十年后也能封存。

汽车维斯科弹性模型的新兴趋势

正在通过数据驱动方法和多尺度方法重新塑造结构模型的前沿。

机器学习和物理-成形神经网络

神经网络可以直接从实验数据中学习应激-阻力关系,绕过传统的参数配位. 物理知情神经网络(PINNs)将粘性导微分方程嵌入了丢失函数,产生了既具有数据可靠性又具有物理一致性的模型. 轮胎模型的早期应用显示预测磨损和滚动阻力的希望.

填充橡胶的多尺度模型

碳黑和硅填充器创造了一个赋予橡胶强度的复杂网络. 将分子动力学模拟与连续FEA连接的构造模型正在开发中,这种多尺度模型可以预测填充器装载的变化如何影响粘性特性,为下一代低滚阻耐轮胎提供虚拟材料设计.

综合多物理模拟

汽车系统日益相互结合:热、结构、声学现象相互作用。 包括温度依赖和热生成在内的先进粘性模型可以同时进行热力学模拟。 比如,在现实的制动垫坝式制动情景下,温度从20°C上升至400°C的几秒钟,就可以对制动垫坝的性能进行评估。

结论

粘性材料的精确构型对现代汽车工程至关重要。 虽然传统的弹簧波段模型提供了概念基础,但它们缺乏预测NVH、可坠毁性和耐久性模拟所需的忠实。 先进的模型 — — 通用的Maxwell(Prony系列 ) 、 分数衍生物、Schapery非线性以及温度调整配方 — — 当与实验数据适当校准时,工程师们能够自信地优化组件。 这些模型不断演进,机器学习和多尺度组合等新兴技术也更加精确。 通过采用这些先进的工具,汽车工程师可以设计更轻、更安全和更舒适的车辆,满足严格的性能标准。