减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解

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2023年7月19日 13:46

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文章来源：仿真侠

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论文链接

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减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析[J]

http://dx.chinadoi.cn/10.13465/j.cnki.jvs.2021.12.026

http://dx.chinadoi.cn/10.13465/j.cnki.jvs.2021.12.026

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析[D]

http://dx.chinadoi.cn/10.27426/d.cnki.gxtdu.2020.000389

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研究背景

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图1

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图2

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研究内容和方案

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图3

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炭黑填充橡胶的超弹性本构模型

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图4

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图5

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图6 减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图7

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减振橡胶疲劳黏滞生热的试验与理论分析

4.1黏滞耗能率与损耗模量的关系

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图8

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4.2损耗模量与频率应变幅值的关系

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图10

4.3 损耗模量与温度的关系

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图11 4.4 黏滞耗能率与频率幅值温度关系

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图12

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仿真分析

5.1 有限元分析流程

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5.2 子程序设计

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5.3圆柱试样黏滞生热仿真分析

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图15

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图16

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图17

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图18

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图19

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图20

5.4沙漏试样黏滞生热仿真分析

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图21

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图22

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图23

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基于自热温升的橡胶疲劳仿真

6.1撕裂与疲劳及其温度相关性

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图24

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图25

6.2基于自热温升的橡胶疲劳寿命仿真流程

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图26

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图27

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图28

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总结

采用单轴拉伸(ST)、平面拉伸(PT)和等双轴拉伸(ET)三种橡胶测试试验，拟合相关试验参数，得到了橡胶材料的Ogden本构模型及相关参数。
采用一种修正的Kraus模型定量描述了橡胶材料动态损耗模量随温度、载荷频率和应变幅值的变化规律。得到了生热率与温度、载荷频率和应变幅值的函数关系式。
利用依黏弹性理论得出的黏滞生热率与温度、载荷频率和应变幅值的函数关系式，编制了相应的计算程序。建立了减振橡胶疲劳黏滞生热的有限元分析方法。
通过将经典疲劳模型中用作疲劳寿命预测指标的最大主应变替换为稳态温升，在幂律模型的基础上开发了一种方法来快速评估橡胶结构的疲劳寿命。

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源文件与操作步骤（沙漏试样为例）

8.1分析流程

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图29

仿真分析主要包括三个环节：变形分析、热源计算与热分析。（1）在变形分析环节，对材料和减振元件施加设定的载荷历史，采用超弹性本构描述橡胶材料的力学行为，求解每个加载时刻有限元模型中各积分点的应变状态；（2）在热源计算环节，对应每一加载时刻，将变形分析中对应的载荷频率、应变状态（动态应变幅值）以及热分析中得到的温度作为输入变量，通过自编的Fortran语言子程序，计算得到各积分点的黏滞生热率；（3）依已知的材料参数和问题的热边界条件进行Abaqus热分析，得出温度分布后再将温度场数据返回到自编子程序，对黏滞生热强度和温度场进行迭代计算，从而得出橡胶材料和减振元件各位置的温升历程。

8.2建模

abaqus/cae操作

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8.3赋材料属性

钢：

CAE操作：

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减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图33

inp文件：

*Material, name=ste*Conductivity43.,*Density 7.83e-09,*Elastic210000., 0.3*Expansion 8e-06,*Specific Heat 4.4e+08,

橡胶：

CAE操作：

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减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图35

inp文件：

*Material, name=rub*Conductivity 0.2,*Density 1.2e-09,*Expansion 8e-05,**为hetval子程序定义生热率做准备*Heat Generation*Hyperelastic, n=3, ogden 1.9042,     1.0625, -1.924e-10,      -17.7,  0.0003185,    12.3795,      1e-05,      1e-05      1e-05,*Specific Heat 1.7e+09,**以下两个参数均为usdfld子程序所需，定义预定义场与三个过程变量。*User Defined Field*Depvar      3,

8.4网格划分

CAE操作：

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图36

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8.5定义分析步

静力分析：

CAE操作：

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图38

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图39

瞬态热力耦合分析：

CAE操作：

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图40

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图41

8.6定义相互作用

CAE操作：

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减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图43

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图44 减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图45

8.7定义载荷边界

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图46

试验加载方式为应力比R=0.1频率5Hz最大载荷400N正弦循环加载，即4N-400N-4N循环。故第一个静力分析步加4N，通过usfld子程序提取此时的应变场；第二个分析步加400N，同样通过usfld子程序提取此时的应变场，（应变场-4N➖应变场-400N）➗2 即为应变幅值，传入hetval子程序定义生热率场在第三个瞬态热力耦合分析步生效。

CAE操作：

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图47

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图48

减振橡胶疲劳黏滞生热的仿真分析-源文件与子程序详解的图49

inp文件：

*Step, name=Step-1, nlgeom=YES*Static0.1, 1., 1e-05, 1.*BoundarySet-3, 1, 1Set-3, 2, 2Set-3, 6, 6*CloadSet-2, 2, 40.*End Step
*Step, name=Step-1_2, nlgeom=YES*Static0.1, 1., 1e-05, 1.*CloadSet-2, 2, 400. *End Step
*Step, name=Step-2, nlgeom=YES*Coupled Temperature-displacement, creep=none, deltmx=10.1., 4000., 0.04, 4000.*SfilmSurf-1, F, 20., 0.025*End Step

最后需要在inp文件model level添加*Initial Conditions关键字，初始化场变量，（usdfld子程序所需，/CAE中使用edit key words操作。）

*Initial Conditions, type=FIELD, VARIABLE=1*step

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8.8提交计算

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批处理提交

call abaqus job=*** user=***.f

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子程序

C  =====================================================C       This ABAQUS user subroutine was produced byC                     Xia JiangC            (E-mail: jiangxia127@hotmail.com)CC                Xiangtan UniversityC  =====================================================    CCC      SUBROUTINE HETVAL(CMNAME,TEMP,TIME,DTIME,STATEV,FLUX,     1 PREDEF,DPRED)C      INCLUDE 'ABA_PARAM.INC'CC Set frequencyC      PARAMETER(F=10.,PI=3.1415926)C          CHARACTER*80 CMNAMEC      REAL*8 LM,ratio_LM      C      DIMENSION TEMP(2),STATEV(3),PREDEF(*),TIME(2),FLUX(2),     1 DPRED(*)CC value of max strain,pass in from usdfld.C      EMAX = STATEV(1)CC value of current temperature,pass in from usdfld.C      T = STATEV(2)CC value of min value of strain,pass in from usdfld.C          EMIN = STATEV(3)CC increment of strain,pass in from usdfld.C          DE = abs(EMAX-EMIN)/2CC step timeC      Ti = time(1)      CC value of Loss ModulusC               LM = exp(-0.014*(T-23.))*(1.967+0.013*F)*(DE/0.01)**0.434/(1.+(DE/0.01)**0.868)C     LM = exp(-0.014*(T-23.))*2*0.9206*(DE/1.24)**0.1845/(1+(DE/1.24)**(2*0.7845))CC Modification based on dynamic property softening effectCc     ratio_LM = 0.1619*exp(-Ti/163.7594)+0.7997CC Heat flux calculationC    C     FLUX(1) = F*PI*DE**2.*LM*ratio_LM      FLUX(1) = F*PI*DE**2.*LMC    C Write Heat flux,Time,Temprature,StrainMAX,StrainMIN,DStrain,Loss Modulus to msg file C c    write(7,*)'--------------------------------------------------------------------'c     write(7,*)'Time    ', time(2),' Temprature',Tc     write(7,*)'StrainMAX',EMAX,'StrainMIN  ',STATEV(3)c     write(7,*)'HeatFlux ',FLUX(1),'DStrain    ',DEc     write(7,*)'LossModulus',LMc     write(7,*)'--------------------------------------------------------------------'C    C      RETURN      ENDCCC      SUBROUTINE usdfld(field,statev,pnewdt,direct,t,celent,time,dtime,     1 cmname,orname,nfield,nstatv,noel,npt,layer,kspt,kstep,kinc,     2 ndi,nshr,coord,jmac,jmtyp,matlayo,laccflg)C      include 'aba_param.inc'C      character*80 cmname,ornameC            character*3  flgray(15)C            dimension field(nfield),statev(nstatv),direct(3,3),t(3,3),time(2),     1 coord(*),jmac(*),jmtyp(*)C           dimension array(15),jarray(15)CC value of current temperature:C      call getvrm('TEMP',array,jarray,flgray,jrcd,     1 jmac, jmtyp, matlayo, laccflg)C           TEM = ARRAY(1)C    C Store temperature as a solution dependent state variableC      STATEV(2) = TEM        CC Value of current strain :C      call getvrm('NEP',array,jarray,flgray,jrcd,     1 jmac, jmtyp, matlayo, laccflg)C           DSTRAIN = abs(ARRAY(1))CC Maximum value of strain up to this point in time:C  call getvrm('SDV',array,jarray,flgray,jrcd,     1 jmac, jmtyp, matlayo, laccflg)C           EPSMAX = ARRAY(1)CC Store maximum value of strain as a solution dependent state variableC      STATEV(1) = MAX(DSTRAIN,EPSMAX)C C MINrage value of strainC        if(time(2).eq.1) thenCC Store MINrage value of strain as a solution dependent state variableC          STATEV(3) = STATEV(1)CC Write StrainMIN to msg fileCC     write(7,*)'MINrage value of strain',STATEV(3)C         end ifC      RETURN      END

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