一、橡胶材料特点

    1.承受非常大的应变，并且在卸载的时候，能非常快的回到初始的形状。

    2.由大量的相互呈网络结构连接起来的大分子聚合而成，大分子有很强的流动能力。

    3.通常都是由不同厂家自己采用不同的基体、添加剂调配出来的，因此物理特性也千差万别。

    4.橡胶材料可能是热固性或热塑性（TPE） ，这取决于组分聚合物的性质。热固性塑料需要交联，而热塑性弹性体不需要。

    5.橡胶材料的特点——橡胶材料特性的跨度非常大

二、橡胶疲劳破坏过程

   橡胶材料的疲劳破坏主要是由于在周期载荷作用下材料本身产生了疲劳裂纹。随着载荷循环次数的增加，橡胶疲劳裂纹扩展并最终导致材料的断裂。

   破坏过程：

    1.裂纹形核至可见裂纹阶段；

    2.可见裂纹发展直至断裂破坏；

   橡胶的疲劳裂纹是一个随时间发展并涉及分子链连续断裂的粘弹性非平衡过程。这一微观过程的宏观表现是在动态疲劳过程中裂纹穿过试样不断扩展直至试样断裂并且在裂纹发展过程中伴随热效应。

   橡胶疲劳破坏过程——寿命的定义

三、橡胶材料疲劳分析的障碍

   1.非常特殊的材料行为

     a.非线性行为，有限应变，自生热

     b.应变结晶，温度相关、臭氧侵蚀

     c.Mullins影响、时间效应

     d.各厂商自己调配的材料

     e.传统的金属疲劳理论无法适用

   2.解决方案及验证

     整合验证理论以形成CAE工具

     验证案例深度

  3.分析流程

    可行性分析

    鉴定程序

    损伤计算工具

四、案例分析

   1.硅胶指关节假体
     硅胶指关节假体要求能够工作超过1亿次弯曲周期，FE-safe/Rubeer允许设计人员比较不同候选材料在实际载荷工况下的耐久性，从而选择最佳材料。

   2.美军M1艾布拉姆斯主战坦克履带橡胶垫
    每个新设计应用于军用车辆的橡胶履带系统都需要进行质量鉴定测试，一次测试需要花费至少200万美元。
    FE-safe/Rubeer使得工程师可以研究设计和不同使用条件对耐久性的影响，从而在质量鉴定测试之前获得成熟的设计方案。

   3.非松弛周期载荷作用下的天然橡胶
    在非周期载荷作用下，应变结晶可以延缓裂纹扩展，从而极大增强耐久性，见下图。
    FE-safe/Rubeer提供精确的橡胶模型可以用于分析应变结晶效应，如下图计算的Haigh曲线（右），随着平均应变增加，寿命随之增加；（左）Lindley基于天然橡胶实验结果。

   4.多轴变幅度试验
    FE-safe/Rubeer可以兼顾每个潜在裂纹开裂平面的单独的加载经验，其具有专利算法，可以针对多种复合载荷工况（比例或者非比例）作用下大批量疲劳测试，准确的预测出寿命和失效平面方向，这些载荷工况可以包括拉伸、压缩和剪切，以及各种不同的幅度的载荷工况。

   5.球铰
    球铰的疲劳分析结果显示未改进球铰的疲劳寿命仅不到50万次，疲劳危险区域分布如图中红色区域，预报结果与试验结果吻合。此外分析结果还表明若不改变胶料类型，上述改进结构的疲劳寿命虽然得到了显著的提升，但仍然低于百万次，而后在新结构的基础上，采用新配方橡胶材料（采用模量更大的橡胶材料），其疲劳寿命方满足承载工况要求。FE-safe/Rubeer软件不仅能快速且方便的预测各橡胶结构的疲劳寿命和疲劳危险区域，同时能为不同工况下的橡胶材料类型的选取和疲劳优化提供指导。

未改进球铰实验失效图                                          改进球铰疲劳寿命分布

    6.V形弹簧
    V型弹簧是一种安装于各种车辆轴箱和转向架构架之间的橡胶弹性定位、支撑元件，适用于国内外各种地铁、轻轨等车辆
    分析工况：承受垂向载荷，位移幅值范围分别为30mm-45mm，35mm-45mm， 45mm-55mm，55-60mm

    分析目的：分析垂向压缩量对V形弹簧的影响，并优选疲劳寿命能达到百万级的垂向工况条件。

V形弹簧安装实列                                                                                     V形弹簧安装实列

    不同垂向位移幅值条件下V形弹簧的疲劳寿命分布：

    FE-safe/Rubeer分析结果显示，保持幅值范围不变，V形簧的疲劳寿命将随着垂向最大位移幅值的增大逐渐降低。保持最大幅值不变，V形弹簧的疲劳寿命将随着最小幅值的增大而提升。同时结构的初始开裂位置也将发生较大的变化。而当最大压缩幅值超过60mm时，V形簧的疲劳寿命已无法满足工程要求，疲劳破坏严重，而垂向最大幅值低于45mm时能满足工程要求，分析结果与实验结果吻合。

   7.轴箱簧
    锥形簧是一种安装于各种车辆轴箱和转向架构架之间的橡胶弹性定位、支撑元件，适用于国内外各种地铁、轻轨等车辆，具有较大的垂直压缩特性和较小的横向剪切特性。主要用于机车悬挂系统，起弹性定位、减震和缓冲作用，同时可以消除高频振动，改善振动性能，从而保证车辆的安全和舒适度。
    分析工况：垂向预压载荷36.7kN，横向载荷幅值±11kN

    分析目的：预报轴箱簧疲劳寿命和初始裂纹开裂位置，并分析臭氧对橡胶疲劳（臭氧浓度0.02ppm）

    FE-safe/Rubeer不仅能对普通环境条件下的轴箱簧的疲劳危险区域和疲劳寿命进行预报，同时对处于恶劣氧化环境下的疲劳性能也能进行分析。分析结果显示臭氧环境下，轴箱簧的疲劳寿命降低显著。而实际应用中，轴箱簧通常直接暴露在阳光下等恶劣氧化环境中，因此应当选择耐氧化和耐紫外线的配方橡胶。

   8.空气弹簧应急橡胶垫
    空气弹簧应急橡胶垫是空气弹簧的附属配件，通常与空气弹簧串联使用，除了能承担传递垂向载荷作用外，在空气弹簧失效时能单独起作用。因其发生弹性变形，可以隔离、减小车辆的垂向振动，尤其能有效的隔断高频振动。广泛应用于高速动车组，城市轨道车辆和客车转向架二系悬挂系统。支撑橡胶垫通常处于垂向压缩状态，同时由于空气弹簧的作用还将承受横向摆动和弯曲作用。
    分析工况：垂向预压力84KN，横向载荷幅值±9.5KN,弯曲载荷幅值±1.5KN.m。
    分析目的：预报改进前后橡胶支垫疲劳寿命和疲劳裂纹位置，验证结构疲劳优化效果。

    FE-safe/Rubeer对橡胶垫的分析结果表明改进后橡胶垫的应力集中现象得到了有效的缓解，疲劳寿命显著提升，同时橡胶垫的初始开裂位置发生了明显的改变。Endurica软件能对橡胶结构的疲劳性能优化能提供有效的指导。

   9.空气弹簧
    空气弹簧是一种用于车辆二系减振的悬挂装置，安装在车体与转向架之间，主要功能是传递垂向载荷，缓冲和吸收垂向及横向振动，同时也可以利用高度阀调节内部气压，保证空气弹簧在不同的载荷下保持高度不变。
    分析目的：对改进后空气弹簧的疲劳寿命和疲劳危险区域进行预报。

    FE-safe/Rubeer对未改进的空弹簧的疲劳分析表明其疲劳危险区域集中在腰带上沿位置。主要原因是空气弹簧在横向摆动过程中，由于腰带部位的橡胶中布置有数层钢丝带，其强度远大于腰带以上的橡胶，从而导致在腰带上沿出现了严重的应力集中。选择增大腰带上沿橡胶的强度来缓解应力集中。Endurica对改进后空气弹簧的分析结果表明其疲劳寿命获得较大提升，同时疲劳危险区域上移。

   10.轮胎
    轮胎通常与汽车的行驶性能密切相关，如汽车的动力性，操纵性，平顺性，舒适性均决定于轮胎与地面的接触力学性能。轮胎主要起支撑车体，缓解车体振动。在汽车行驶过程中通常承受垂向的压力以及车体转向的侧偏力等。轮胎的疲劳破坏是其主要失效形式之一。但因轮胎本身材料分布复杂，其疲劳的预报仍是当前轮胎工程的难题。
    分析工况：垂向承受幅值载荷为4000N。
    分析目的：不考虑钢丝帘线与橡胶硫化层的开裂前提下，预报轮胎的疲劳危险区域。

    FE-safe/Rubeer对轮胎滚动过程的疲劳分析结果显示轮胎的疲劳破坏主要发生在胎肩部位的带束层附近，分析结果与轮胎滚动实际疲劳危险区一致。通常条件下轮胎结构中各部位的橡胶材料不同，因此需对每部位的橡胶材料进行单独的疲劳分析定义。

资料来源参考：https://www.3ds.com/products-services/simulia/products/fe-safe/fe-saferubber/