Ls_dyna橡胶大变形模拟方法总结及案例

幸福里8号

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本文件描述了在LS-Dyna中隐式分析橡胶结构时的建议设置。

在许多情况下，默认设置或一般推荐设置不适用于模拟橡胶材料。本文件的目的是在这些特殊情况指导橡胶模拟。本文档中描述的功能包含在LS-Dyna版本R7.1.1及更高版本中。参考文献[1]

参考文献[1]Jonsson, A., ”Some guidelines for implicit analysis using LS-DYNA¨, rev 4, 2014.

1 材料模型

在Ls-dyna进行隐式分析时，可选橡胶模型如下，优先使用前三个。尤其是*MAT_77建议优先使用，如果使用者发现曲线拟合较为困难时，可以尝试使用*MAT_181。并不是太建议Mooney-Rivlin模型，Mooney-Rivlin模型对于相对简单的案例比较好用。

*MAT_HYPERELASTIC_RUBBER (*MAT_077_H)

*MAT_SIMPLIFIED_RUBBER/FOAM (*MAT_181)

*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER (*MAT_027)

*MAT_OGDEN_RUBBER (*MAT_077_O)

*MAT_FRAZER_NASH_RUBBER_MODEL(*MAT_031)

（1）*MAT_HYPERELASTIC_RUBBER (*MAT_077_H)

这是为LS-Dyna中的隐式模拟建模橡胶结构时推荐材料模型。在这个模型中，用户可以指定多达六个关键词来直接描述材料行为，如图3。如果只定义了C10和C01，则该模型相当于Mooney-Rivlin模型。在这种情况下，*mat_027和*mat_077之间的区别仅在于材料模型的稳定性。

用户还可以使用来自测试的数据来将参数（Cnn）拟合到测试曲线。当n>0时，此选项可用，请参见图4。然后用户根据参考文献[2]指定SGL、SW、ST和LCID。

参考文献[2] Livermore Software Tehnology Coorporation, Manual, vol II, Material models, 2014.

图3 超弹性橡胶，n=0

图4 超弹性橡胶，n>0

应变能函数定义如下：

图5 应变能函数

（2）*MAT_SIMPLIFIED_RUBBER/FOAM (*MAT_181)

该材料模型也可用于模拟橡胶变形行为。用户没有指定任何橡胶参数，如a、b或Cnn。相反，提供体积模量和试验数据。该模型是为不可压缩聚合物开发的，如果泊松比小于0.495，则该材料模型是一个很好的选择。注意，曲线的拉伸和压缩部分依一个和另一个，因此正确的测试数据对于使模型收敛至关重要。

图6 *MAT_181

（3）*MAT_MOONEY_RIVLIN_RUBBER (*MAT_027)

该模型因其简单而广受欢迎，但在某些情况下可能会遇到不稳定和/或其他收敛问题，尤其是对于大变形存在收敛问题。

Mooney Rivlin模型是一个双参数橡胶模型，见图7。由于只有两个参数（a和b）用于直接描述材料响应，因此响应曲线必须非常“像橡胶”，见图1。如果由于某些原因或者由于其他原因，材料响应与一般橡胶响应曲线太不一样，则此模型可能不是最佳选择。还可以选择使用sgl、sw、st和lcid将参数a和b拟合到测试曲线。Mooney Rivlin橡胶可以使用*Mat_077建模。在这种情况下，只需定义C10和C01即可。

图7 *MAT_027

应变能函数定义：

图8 应变能函数定义

2 单元类型建议

六面体: -1, -2

四面体: 13（10）

-1和-2六面体格式对于长宽比差的单元尤其有用，因为橡胶可能会发生大变形。在大多数橡胶箱中ELFORM-1比ELFORM-2更有效。

ELForm 13的开发是为了避免体积锁定，采用节点压力平均法。当隐式分析中使用Elform 13时，切线刚度在某些情况下可能会导致问题。如果是，可使用ELForm 10。

如果由于负体积而出现警告/错误，请尝试使用较大尺寸的网格。

Dyna 手册：

3 单元自由方法

如果网格变得非常扭曲，使用结构实体单元可能很难得到收敛解。在这种情况下，可使用EFG。EFG或无单元伽辽金法（Element Free Galerkin）是一种无网格方法，只使用网格的节点。因此，使用EFG时，形状不好甚至颠倒的单元都不会成为问题。使用这种方法的缺点是，它的计算成本可能很高，需要做更多的计算才能使接触区域收敛。

4 接触设置

对于隐式分析，我们通常建议MORTAR接触。设置关键字*CO**OL_OUTPUT里面的关键字MINFO=1可以用于检查接触状态。