橡胶材料因其独特的物理化学性能,在减震器、轮胎、油封等橡胶制品中发挥着无可替代的作用。为了使橡胶制品的性能达到最佳,需要对制品结构进行合理设计,充分利用材料性能,使其能够安全、经济、适用的应用到各类产品中。橡胶制品的传统结构设计依赖于设计者的设计经验与大量试验校核,设计周期长、成本高,且难以获得最优结构。通过有限元仿真手段,将优化技术应用到橡胶制品结构设计中,可大幅降低研发成本,在较短研发周期内获得满足制品应用工况的最优结构参数。优化技术按优化方式可分为拓扑优化和参数优化,两种优化方式既可以同时应用于某一零件,也可单独用于产品设计。本研究将根据不同橡胶制品特点与应用工况需求,采用不同的优化方式进行优化处理,以获得橡胶制品的最优结构参数。主要工作有以下三个方面:第一,在仅知道橡胶本构模型参数范围和制品规定尺寸范围的情况下,在Isight平台上集成Abaqus和Data Matching模块,同时对某车用橡胶减震器的本构模型参数和尺寸进行参数优化,推演出橡胶减震器的最优结构参数H=45.57mm、L=40.57 mm、R=61.27°和橡胶Yeoh本构模型参数C10=0.542 MPa、C20=0.022 MPa、C30=1×10-6 MPa,使橡胶减震器的载荷-位移曲线符合目标刚度曲线。借助优化预测的本构模型参数反推橡胶的模量E=3.252 MPa和硬度约为60,为橡胶配方设计提供指导。第二,摆脱先构思结构,再校核性能的传统研发思维,将拓扑优化结构与牙齿、牙床结构为灵感相结合,对三维轮胎模型进行拓扑优化,设计一款新的免充气轮胎。免充气轮胎由支撑柱、内层环、外层环和胎面组成,静态接地工况下,其支撑柱朝向轮胎外侧变形,与充气轮胎的变形模式一致。免充气轮胎与同尺寸充气轮胎的静刚度曲线吻合较好,但免充气轮胎的接地压力分布更加均匀,可增加车辆行驶平稳性和抓地力,同时减轻胎面不均匀磨耗,避免局部过度磨损。第三,对干摩擦工况下的单唇油封以及良好润滑工况下的双唇油封进行热-固耦合有限元仿真,依据设计变量数量分别制定全因子试验设计和最优拉丁超立方试验设计,获取设计变量对油封的性能影响规律。根据试验设计结果拟合油封近似模型,获得了单唇油封前唇角47.01°、后唇角24°;双唇油封前唇角50°、后唇角24°和腰部厚度1.4 mm的最优结构参数。优化后的油封密封性能良好,唇口与轴最大接触压力降低,使油封唇口与旋转轴间的摩擦耗损减少。油封使用过程中的最高温度降低,这将减轻橡胶热氧老化导致橡胶力学性能丧失,提高油封使用寿命。