ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程


密封圈是一种常用的密封元器件,具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点,广泛应用于石油化工、机械和宇航领域。由于橡胶材料具有超弹性能,当受到较大外载时,表现出高度非线性的特性,往往使得密封圈的精确仿真求解十分困难。


ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件,其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库,可以模拟典型工程材料的性能,其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料,作为通用的模拟工具, ABAQUS 除了能解决大量结构(应力/位移)问题,还可以模拟其他工程领域的许多问题,例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析(流体渗透 / 应力耦合分析)及压电介质分析。


橡胶密封垫的密封性常用表面接触应力大小来表示,其力学行为常用超弹性本构模型来描述,同时橡胶具有黏弹性特性,在长期受压状态下,会出现力学松弛现象。



本篇文章展示ABAQUS软件在仿真橡胶垫的超弹性变形行为及应力松弛现象的功能,应力释放模型采用应力释放实验数据,超弹性模型为Mooney-Rivlin超弹性力学模型:

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图1

在软件进行模型装配,装配后如图1所示。先对上模具施加位移,待橡胶密封垫片获得一定应力场后再仿真应力释放过程,分别采用静力隐身和粘性分析步,然后设置场变量和历史变量输出,分别如图2和图3所示。

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图2 
图1 模型装配图 

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图3
图2 变量输出

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图4
图3 历史变量输出

定义上下模具与橡胶密封垫,摩擦系数为0.16,定义好之后如图4所示。定义对称、强制位移和固定边界条件,定义好后如图5所示。对橡胶垫圈划分网格,采用自由网格划分技术,划分后如图6所示,单元类型选择CPE4RH:  A 4-node bilinear plane strain quadrilateral, hybrid, constant pressure, reduced integration, hourglass control和CPS4R:  A 4-node bilinear plane stress quadrilateral, reduced integration, hourglass control.

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图5  
图4 定义好的接触状态 

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图6
 图5 边界条件

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图7 图 6 划分后的网格

创建分析任务,两个单元类型设置两个分析步,先后提交计算,待计算完成,查看结果。第一个分析步结束后,平面应变单元的计算结果如图7和图8所示,平面应力单元的计算结果如图9和图10所示。第二个分析步结束后,平面应变单元的计算结果如图11和图12所示,平面应力单元的计算结果如图13和图14所示。

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图8
图7 Mise应力云图  
  
ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图9
图8 平面内主应变云图
  
ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图10
图9 Mise应力云图 

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图11
图10 平面内主应变云图    
    
ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图12
图11 Mise应力云图 

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图13

图12 平面内主应变云图

  ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图14
图13 Mise应力云图

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图15
 图14 平面内主应变云图      
       
对比图7与图11、图8与图12、图9和图13、图10和图14不论采用哪种单元类型,应力应变均减小。从图15和图16中可以看出,橡胶密封垫在压缩位移作用下,力非线性增加,应力得以释放后,力先是迅速下降后又平缓降低。该仿真算法及数值分析为确定密封圈性能提供了参考。

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图16   
图15 第一个分析步的支反力-时间曲线

ABAQUS橡胶垫圈的超弹性及应力松弛行为的仿真教程的图17
 图16 两个分析步的支反力-时间曲线



    文章来源:唯理计算

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前辈可以分享一下所用橡胶材料的本构模型数据么?
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