橡胶有限元分析基础

汽车橡胶减振元件弹性特性的有限元分析1前言2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题3建模与网格划分的一般原则4液阻悬置橡胶主簧弹性特性的有限元分析5悬架衬套弹性特性的分析1前言•必要性开模具之前大致确认刚度的可实施性。•复杂性材料特性和几何特性都是非线性•可能性橡胶本构研究理论的发展；计算计硬件的发展；软件的能力（ABAQUS,MARC,ADINA等)•目前的研究状况静力学特性的分析与优化；橡胶动态特性有限元分析方面的文章很少。2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题(1/4)•基本过程描述橡胶材料力学性能的基本方法是通过实验确定某一简单变形模式的应力－应变属性，然后通过回归分析，以一个适当的应变能函数对实验得到的应力－应变数据拟合，并将拟合得到的有关参数作为有限元分析的输入,进而预测要设计橡胶部件的载荷－变形性能。这个过程是由简单变形模式的曲线拟合过程,并被推广到更复杂的变形模式2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题(1/4)•应变能函数Mooney-Rivlin、Ogden、Neo－Hookean、Yeoh、Arruda－Boyce等等。这些应变能函数是橡胶材料参数的函数。Treloar[40]认为,选择哪类形式,简单地讲，仅是个便于应用的问题。从有限元分析的角度讲,根据实际问题的需要,只要提供合理数量的拟合系数,能充分描述材料性能,选择哪类应变能函数都可行。2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题(1/4)•应变能函数Mooney-Rivlin、Ogden、Neo－Hookean、Yeoh、Arruda－Boyce等等。至于选择哪一具体形式的应变能函数,由研究者视具体问题分析比较确定,如Mooney-Rivlin、Ogden和Yeho等模型都曾经被用在轮胎的有限元分析中。2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题(2/4)•橡胶材料超弹性本构关系的确定与分析a.实测橡胶材料的应力～应变3121)))(ˆ((jNkjkjijijS2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题(3/4)•橡胶材料超弹性本构关系的确定与分析a.实测橡胶材料的应力～应变b.实验数据的拟合3121)))(ˆ((jNkjkjijijSj为实验的类型：单轴向拉伸，j＝1；平面剪切，j＝2；等双轴向拉伸，j＝3。Nj为实验点的个数0iCS3110))(ˆ))((ˆ(jNkjkijkjkjkjkjCGauss,SVD求解2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题(4/4)•橡胶材料超弹性本构关系的确定与分析c.实验数据的分析0100200300400024681012应力(Mpa)应变(%)V=30mm/minV=60mm/minV=120mm/min-50050100150200-20-15-10-50510M-R3GaussM-R2Gauss应力(Mpa)应变(%)实验M-R1SVDM-R2SVDM-R3SVD-50050100150200-20-100102030应力(pa)应变(%)实验Ogden3Ogden5Ogden7Mooney-RivlinOgden2橡胶元件弹性特性的有限元分析中的若干问题(5/4)•橡胶材料超弹性本构关系的确定与分析d.单元的选取'2ijijVijGKK体积模量V体积应变'ij偏应变张量对于橡胶类的不可压缩材料，其泊松比比接近与0.5K0VVKp物体所受的压力是有限的'2ijijijGp本构方程选用位移/压力插值公式的单元3建模与网格划分的一般原则•建模AUI线框模型；ADINA－M实体模型•网格划分：高级波前法和Delaunay方法波前网格划分法的速度相对的较慢，对于复杂的几何体，健壮性和稳定性稍差，但是收敛不成问题。Delaunay网格划分法的健壮性很好，速度相对较快，并且支持各向异性网格生成和网格自适应，它是ADINA默认的网格剖分器。•网格尺寸网格尺寸的大小与单元特性和网格划分方法等有关4液阻悬置橡胶主簧弹性特性的有限元分析（1/6)•模型•三向静刚度的计算结果024681012141618050010001500200025003000力(N)位移(mm)X(实验)X(FEM)Y(实验)Y(FEM)Z(实验)Z(FEM)•应力分析结果VonMises等效应力(Mpa)最大剪应力(Mpa)•橡胶主簧不同结构方案的分析方案II方案III橡胶主簧结构方案I、II、III垂直刚度的计算值模型结点数单元数垂直刚度(N/mm)I2117233935284II2060830268275III2130634299291•单元特性对橡胶主簧静态特性有限元分析结果的影响－对垂直刚度的影响10/461430485172651.6单元类型单元最大尺寸(mm)结点数单元数垂直刚度(N/mm)相对误差(%)8/1（六面体）49763161713057（四面体）8886851862651.611/4（四面体）8190497071279-227/4（六面体）4381089205262-8•单元特性对橡胶主簧静态特性有限元分析结果的影响－对应力的影响8/1单元10/4单元11/4单元5悬架衬套弹性特性的分析•规则形状悬架衬套弹性静力学特性分析的解析计算方法（1/2）径向刚度Hill(1975)LGLrLK平面应变(长衬套)LGSrSK平面应力(短衬套)LGcALcABABABKHr2212222)(1101])[ln(41Horton(2000)（RCT）•规则形状悬架衬套弹性静力学特性分析的解析计算方法(2/2)径向刚度)ln()(1ABGELkar弹簧手册)ln(2ABGLka轴向刚度•复杂形状悬架衬套弹性静力学特性分析的有限元方法(1/2)-0.40.00.40.81.21.62.0-4-20246应力(Mpa)应变实验Ogden30.00.51.01.52.001000200030004000500060007000力(N)位移(mm)轴向径向•复杂形状悬架衬套弹性静力学特性分析的有限元方法(2/2)计算结果和实验结果的比较！！