橡胶仿真分析核心技术

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      橡胶材料是一种典型的超弹性材料，具有明显的大变形、大应变及高度非线性的力学特性，因此在对橡胶元件承载过程中的计算机模拟分析中，往往会因大变形导致程序收敛失败使计算模拟过程无法进行。

常见的橡胶收敛性方法有：

①橡胶网格细化；

②接触算法及参数的合理调整；

③适当降低橡胶材料的泊松比，即引入少量的可压缩性能；

④橡胶本构的合理选取及参数定义；

        但采用以上方法后，橡胶在压缩量比较大的情况下，还有可能导致橡胶模型不收敛的问题出现，这是当前遇到的普遍问题。为有效解决橡胶大变形的分析问题，Abaqus软件提供了一种网格重划技术。本文档围绕橡胶分析网格重划技术展开，以简单的三维橡胶元件受压而产生大变形的分析为例说明。

橡胶几何模型

       模型说明：由三部分构成，上下两块钢板、橡胶，其三者tie在一起。橡胶块模型的核心载荷为垂向位移。

网格重划流程图

工具：ANSA+Abaqus

材料本构：利用Yeoh本构模型模拟橡胶材料的变形特性，Yeoh（n=3）本构的材料参数为：0.145,0.01，1.48e-6，0，0。

       未进行网格重划的橡胶变形分析：

       垂向加载12mm，因橡胶单元严重畸变，分析进行到压缩为9mm时不能收敛。如下图所示，采用ANSA软件对变形后的畸变网格进行重划分，用质量好的网格代替原来的畸变网格，再将原网格上的计算结果通过map solution插值映射到新的网格，使分析在原有结果的基础上继续进行。

                     橡胶畸变网格                        橡胶垂向位移7.5mm的计算结果

网格重划分过程：

       利用ANSA软件中的remsh功能进行网格重新划分。利用Abaqus/CAE的import功能提取模型变形后的网格，重新建立分析任务，如材料属性、施加载荷、分析步等。输出计算文件inp，并加入*map solution，step=1命令以实现映射功能，然后用Abaqus command进行作业提交。

      提取的有限元模型             重构后的有限元模型     导入Abaqus中有限元模型

          计算结果映射到新网格上的应力分布               最终的计算结果

位移载荷曲线

        原网格的计算结果映射到新网格后，结果稍有辩护啊，但分布基本上是一直的。由于映射前后的网格不同，结果必然有小的差异，通过合理划分网格和正确选择重划网格的载荷步，这两个途径是可以将差异降到最低。

橡胶制品疲劳仿真应用技术

橡胶衬套疲劳仿真技术

姜辉上汽安全与CAE技术

橡胶衬套

是一种具有良好弹性的工程材料，能承受大应变而不会发生永久性的变形和断裂。汽车行业中，橡胶材料被广泛应用在各种减震降噪装置中。在橡胶产品开发中，

耐久性能

是重点关注的性能，因为橡胶衬套疲劳失效，会大大影响整车的操稳性能和舒适性能，甚至影响正常的安全性能，从而导致事故发生。

目前，国内橡胶产品的设计开发主要依托试验进行验证，导致产品的设计周期长，开发费用高。如果在项目开发的早期，通过虚拟仿真分析的方法，就可以有效地预测橡胶衬套的耐久性能，并且节省大量费用，缩短开发周期。

1

、橡胶衬套

CAE

网格模型的建立

考虑到橡胶的大变形，需要采用六面体网格单元进行仿真计算，才能得到正确的结果。但是，如果模型结构复杂，六面体建模往往难度很大。橡胶衬套需要考虑整车NVH性能，各个方向上的刚度要求不一样，因此结构设计的较为复杂，使得六面体网格建模非常困难。针对不同的橡胶衬套，我们制定了各种不同的衬套建模方法。下图是某摆臂舒适性衬套的建模方法。

2

、基于

ABAQUS

的橡胶衬套应力应变计算

基于ABAQUS软件，选择合适的橡胶本构模型，就可以进行橡胶衬套的应力应变计算。橡胶衬套因为要保证整车的NVH性能，一般运动行程都很大，因而衬套的应变极大，应力应变非线性计算时，容易不收敛，无法进行下一步的疲劳计算。通过调整有限元模型，增加收敛控制系数，提高沙漏刚度等手段，可以得到收敛结果。

3

、橡胶材料疲劳参数的获得

橡胶裂纹扩展法，主要研究预先存在于结构中的初始微小裂纹在各种使用环境下，扩展到临界尺寸的循环次数。橡胶零件的寿命绝大多数取决于小裂纹的生长。通过一系列疲劳试验，可以获得橡胶裂纹扩展率与能量释放率之间的关系，组成裂纹扩展参数模型。采用Lake-Lindley 模型来进行疲劳寿命研究，并进行材料试验，获得该疲劳模型的必要参数，即裂纹扩展Lake-Lindley模型。

4

、基于

FE-SAFE RUBBER

的橡胶衬套疲劳计算

FE-SAFE RUBBER模块，是目前唯一商用化的橡胶疲劳分析软件。输入零件应力应变结果以及载荷历程后即可进行计算。支持多种应力应变计算软件接口，如NASTRAN、ABAQUS、DYNA等。自带多种常用橡胶的疲劳参数曲线，并且支持实际疲劳试验参数。

5

、橡胶衬套疲劳仿真典型案例

下图是某悬置衬套的疲劳仿真计算结果。可以看出损伤最大位置和应力应变的最大位置是不同的，所以有必要进行疲劳仿真分析。

橡胶疲劳仿真技术，目前还有很多难题需要攻关解决。橡胶的大应变计算还是不稳....