橡胶护套密封的非线性分析

橡胶护套密封的非线性分析

1.1. 介绍

橡胶护套密封在许多工业应用中用于保护两个阀体之间的柔性接头。在汽车工业中，橡胶护套密封覆盖在驱动轴上的恒速接头，以保护它们免受外部元素(灰尘、湿度、泥浆等)的影响。这些橡胶护套的设计用于调整关节的最大可能摆动角度，并补偿轴长度的变化。

这个橡胶护套密封的例子展示了几何非线性(大应变和大变形)、非线性材料行为(橡胶)和变化状态非线性(接触)。这个例子的目的是展示surface-projection-based接触方法的优点和确定位移行为的橡胶护套密封，压力的结果和接触点的位置的外表面和内表面轴运动期间启动。

Surface-projection-based 接触可以通过为接触区域设置KEYOPT(4) = 3来定义基于表面投影的接触。

此选项强制接触约束在接触和目标表面的重叠区域，而不是在单个接触节点或高斯点上。在重叠区域上平均计算接触穿透/间隙。

2.1. 问题描述

在此分析中考虑了半对称橡胶护套密封。定义了三个接触对。一种是橡胶套与圆柱轴之间的刚柔接触，其余两种是橡胶护套内外表面的自接触副。

该问题通过三个加载步骤得到解决：

1. 圆柱和橡胶护套间的初始接触

2. 圆柱的垂直位移(橡胶护套内轴向压缩)

3. 圆柱的转动(橡胶护套弯曲)

3.1. 材料模型

橡胶套由橡胶材料制成，在大应变下表现出弹性响应。因此，对于在下面的表格和Workbench截图中列出的橡胶材料，使用Neo-Hookean模型，这是一种不可压缩超弹性材料模型。

3.2. 建模

利用结构的对称性，只建模了橡胶护套的一半。对于橡胶护套，采用超弹性材料模型。轴被设置为刚体。

3.2.1. 橡胶护套建模

低阶六面体单元(SOLID185)用于橡胶护套，如下图所示。

如下图所示，橡胶护套的15个面采用2毫米的Face Sizing。

映射面用于刚性轴表面，如下图所示。

通过Update后完成网格划分，划分结果如下图所示

最终的网格模型如下图所示。它总共有2641个单元。

3.2.2. 接触对

定义了三个接触对来模拟轴运动时橡胶护套内发生的接触：

1. 刚性圆柱轴与橡胶护套内表面之间的刚性柔性接触。

2. 采用基于表面投影的接触方法在橡胶护套的内表面进行自接触。

3. 采用基于表面投影的接触方法在橡胶护套的外表面进行自接触。

刚性轴与橡胶护套之间的刚柔接触副

在刚性轴面与橡胶护套内30个面之间定义摩擦系数为0.2的摩擦接触。

接触设置如下：

Interference Treatment：ramped effects (KEYOPT(9) = 2)

Detection Method：On gauss point (KEYOPT(4) = 0)。

Update Stiffness：Each Iteration (KEYOPT(10) = 2)。

3.3. 边界条件和荷载

通过限制平面外平移，模型被限制在对称平面上。橡胶护套的底部部分限制在轴向和径向上。这是通过应用无摩擦的支持，如下图所示

远程位移是通过轴底面的远程点(上图所示的远程点2)范围内的不同载荷步骤进行的位移和旋转。指定了以下加载步骤：

加载步骤1：远程位移受到各个方向的约束。

加载步骤2：当轴向下移动时，启动密封被压缩。轴的垂直运动由轴的中心轴末端的基础节点(先导节点)的位移控制。向下位移10毫米应用。

加载步骤3：轴绕z轴旋转31.5°，绕轴中心轴末端的基础节点(先导节点)旋转。

设置远程点

远端位移设置如下所示：

3.4. 分析和解决方案控制

3.4.1. 载荷步设置

非线性静力分析分三个荷载步骤进行。分析中考虑了大变形特性。

完成载荷步设置后，打开大变形选项。

设置完成后进行计算求解。