案例26-橡胶防尘套的非线性分析

本案例演示了在一个高度非线性问题中使用基于曲面投影接触方法的能力和优势。橡胶防尘套的分析包含了几何、材料和变化状态（接触）的非线性。

主要用到了下列特点和能力：

• 三维面-面接触单元技术

• 基于曲面投影接触

• 几何非线性

• Neo-Hookean 超弹性材料

简介

橡胶防尘套在很多工业应用中用于保护两个物体的柔性连接点。在汽车行业中，橡胶防尘套覆盖驱动轴上的等速接头，以保护它们免受外界因素（灰尘、湿气和泥浆等）的影响。这些橡胶防尘套设计用于适应接头的最大可能摆角，并补偿轴长度的变化。

基于曲面投影的基础由接触单元的关键字KEYOPT(4)=3定义，该选项赋予接触和目标表面的重叠区域接触约束，而不是单一接触节点或高斯点，接触穿透/间隙在重叠区域上计算取平均值。

问题描述

分析考虑橡胶防尘套的一半对称结构，定义了三个接触对：一是圆筒轴和橡胶之间的刚柔接触，另外两个是防尘套内外表面的自身接触对。

三维模型如下：

问题分三步加载：

1. 圆筒和防尘套的初始干涉

2. 圆筒的竖直位移（橡胶防尘套的轴向压缩）

3. 圆筒的转动（橡胶防尘套的弯曲）

建模：

由于结构的对称性，只对橡胶套的一半进行了建模。橡胶套采用超弹性材料模型。轴被视为刚体。

建模橡胶防尘套

三维模型是通过使用橡胶防尘套密封轮廓生成的。SOLID185元素用于模拟橡胶防尘套的实际三维结构，如下图所示。该模型有3387个单元。

建模接触对

定义了三个接触对，以模拟轴期间橡胶护套中发生的接触移动：

• 刚性圆柱轴和橡胶套内表面之间的刚性-柔性接触。

• 使用基于表面投影的接触，在橡胶护套的内表面进行自接触方法

• 使用基于表面投影的接触，在橡胶护套外表面进行自接触方法

刚性轴和防尘套的刚-柔接触对：

刚性圆柱轴由TARGE170单元使用TSHAP，CYLI命令建模。圆柱形轴的半径为14 mm。该刚性圆柱体与橡胶套的内表面发生初始干涉。

以下接触设置用于接触单元CONTA174：

• KEYOPT（9）=2，包括斜坡效应干涉

• KEYOPT（4）=0，以设置高斯积分点处接触检测点的位置

• KEYOPT（10）=2，以在每次迭代时更新接触刚度

以下命令说明了刚柔接触对的接触设置：

橡胶防尘套内外表面的自身接触对：

为了模拟自接触对，目标和接触表面都是相同的。KEYOPT（4）=3用于定义基于表面投影的接触，KEYOPT（10）=2用于更新每次迭代时的接触刚度。

材料属性：

材料模型使用Neo-Hookean模型，不可压缩超弹性材料模型，多用于橡胶材料。摩擦系数0.2。

边界条件和加载：

对称平面约束限制面外平动，橡胶防尘套底部限制轴向和径向方向。

通过不同的加载步以位移和旋转的形式施加载荷。

加载步1：

在圆筒中心轴端部的基节点（导向节点）在所有方向都约束住

加载步2：

当轴向下移动，防尘套受到压缩，轴竖直方向的运动由基节点控制。

加载步3：

轴由基点给定相对于z轴的一定量的转动

分析和结果控制：

在三个加载步中使用非线性静力学分析，打开大变形效应。

结果和讨论：

  不同接触侦测方法的累积迭代次数比较：基于曲面投影的接触算法(KEYOPT(4)=3)相对于另外两个方法产生更光滑的接触力，对接触刚度的大小更不敏感。当FKN取1到10时，基于曲面投影的接触算法所用的迭代次数更少，FKN=1对于非线性分析是最佳值。通常基于曲面投影的接触算法所用的计算代价更大，但是由于迭代次数减小，所以综合性能更好一点。

下图显示了在最大轴角度下防尘套的位移位置。

防尘套在最大轴角时的最大应力区域如下图所示，最大应力数值虽然较小，但考虑材料在一定循环下的失效效应，这些区域在疲劳载荷下最容易失效。

下图显示了在不同轴角度下橡胶护套中不同接触点的总应变。第一次接触发生在橡胶套的外编织物之间。之后，在第一接触区域中观察到拉伸，并且第二接触发生在橡胶套的内编织之间。最后，第三次接触发生在橡胶护套的内编织物和轴之间。

建议

以下是执行此类分析的建议：

• 注意，基于曲面投影的方法（KEYOPT（4）=3）不用于定义刚性轴和橡胶套之间的接触，因为该方法不支持由原始目标片段定义的刚性面。

• 对于过盈配合等问题，预计会出现过度穿透。如果在第一载荷步中以阶跃方式施加初始穿透力，这些问题面临收敛性困难。可以通过定义KEYOPT(9)=2来定义第一载荷步中的初始穿透为斜坡加载来克服收敛性问题。