软体机器人超弹性材料本构赋予的两种实现方式 原创

引言：超弹性材料是软体机器人实现 “大变形、高回复、低刚度” 核心性能的关键载体，其力学行为需通过精准的本构模型描述。在 Abaqus 仿真环境中，针对软体机器人的超弹性材料本构，主要存在两种主流赋予方式：一是直接调用内置的Mooney-Rivlin 应变势能模型，适用于常规弹性体（如硅橡胶）的快速仿真；二是通过UHYPER.for 用户子程序自定义应变势能，适配新型超弹性材料（如梯度弹性体、仿生弹性体）的特殊力学行为。本文将围绕这两种方式，结合 Abaqus 仿真全流程（建模、参数设置、分析步、相互作用等），详细阐述实现逻辑、操作要点及结果对比，为软体机器人的超弹性仿真提供可复现的技术方案。

1、 计算结果与分析

两种超弹性本构方式的仿真结果需从 “精度、效率、适用性” 三个维度对比，核心差异如下：

（1） 力学响应精度

Mooney-Rivlin 模型（1 阶）：因模型未考虑高阶非线性项，易出现 “应力预测偏低” 问题，误差可升至 15% 以上。

UHYPER.for 子程序：通过自定义高阶应变势能函数（如 Ogden 模型、Yeoh 模型），可覆盖小至大变形全范围，与实验数据误差稳定在 3% 以内，尤其适合软体机器人扭转、弯曲等大变形工况。

（2） 计算效率

Mooney-Rivlin 模型：无需编译子程序，计算迭代次数少。

UHYPER.for 子程序：需先通过 Fortran 编译器（如 Intel Fortran Compiler）编译子程序，且自定义函数的导数计算会增加迭代复杂度。

（3） 收敛性表现

Mooney-Rivlin 模型：因本构关系简单，在几何非线性打开、增量步合理设置的前提下，收敛率可达 95% 以上，极少出现 “迭代终止” 问题。

UHYPER.for 子程序：收敛性依赖子程序的导数连续性（如应变能密度函数对主伸长比的二阶偏导需连续），若函数编写存在间断点，收敛率可能降至 70% 以下。

2、 几何模型与材料参数

（1） 几何模型

本教学涉及的部件模型均通过 SolidWorks 软件完成建模并导入分析环境。由于课程重点在于方法传授，因此不详细阐述部件建模的具体操作，主要围绕导入后的仿真分析流程进行深入拆解与演示。

导入操作要点：将 SolidWorks 导出的.step 文件导入 Abaqus 时，需勾选 “修复导入的几何” 选项，自动修复微小缝隙或重叠面；导入后通过 “几何检查” 工具确认无 “自由边、非流形边”，确保后续网格划分顺利。

图1 几何模型