基于SIMULIA的橡胶弹性元件分析秘籍（上）

　　达索系统SIMULIA作为多学科和多领域的科学计算和工程仿真提供了软件平台。对于达索产品，第三方产品和客户自己的应用程序，它具有开放的结构和数据。SIMULIA的求解器，应用程序和定制的解决方案将建立在开放，可扩展，可定制的PLM平台之上。它基于公用的数据定义，共享的产品结构和强大的力学技术，利用统一的有限元模型模拟多种工程问题。

　　01前言

　　汽车橡胶弹性元件主要用于减缓汽车行驶时振动和降低噪声，改善汽车操纵稳定性，安全性和舒适性，其必须满足以下的基本要求：

　　支撑功能-静态刚度

　　减振要求-动态刚度

　　耐久要求

　　这三个方面是相互矛盾和制约的关系，随着对车辆的操控和隔振要求不断提高，对橡胶类元件的要求也在不断提高。以下是两类典型的汽车上所使用的弹性元件：

　　发动机悬置

　　底盘衬套

　　悬置用于减少并控制发动机振动的传递，并起到支承作用的汽车动力总成件。当前广泛使用的悬置分为传统的纯胶悬置，以及动、静态性能较好的液压悬置

　　底盘衬套用于底盘各个杆件之间的连接，并且可以有效改善从面传来的高频振动和整个悬架的KC特性，提高底盘元件的使用寿命。

　　所以在设计此类产品中，通常需要仿真软件来计算和评估产品的性能。

　　02橡胶弹性元件仿真问题及难点

　　橡胶材料的复杂特性

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　　材料的本构关系的选择会影响到最终所计算得到的结果，比如某些本构模型只能在小应变情况下与测试值符合较好，而在大应变时差距就会比较明显。而仿真结果的准确又依赖于材料模型，所以更准确的模型和实验数据能够帮助用户得到准确的计算结果。

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　　橡胶材料的动态特性取决于配方和实际环境，这些复杂的因素仿真橡胶材料所时往往不能全面考虑到，所以计算结果需要小心地去甄别和处理。

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　　橡胶的疲劳预测是公认比较难以解决的问题，虽然人们建立了许多理论模型和准则，但预测的结果往往更依赖于人们的经验。

　　橡胶材料仿真的难点

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　　由于橡胶材料的可变形量范围特别大，所以有限元的模型经常会出现不收敛的情况，这样也就得不准确的应变情况。

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　　橡胶材料的仿真是一个材料和几何非线性的分析，单元的类型也是不同于常规，并且需掌握的材料知识，力学和疲劳知识等多学科的知识，对工程师提出了比较高的要求。

　　03

　　在仿真的过程中，工程师还需要合理布置 格，优化局部 格的密度需要工程师有多年产品的开发经验。

　　03ABAQUS在计算橡胶弹性元件动静刚度的案例

　　当前，凭借着ABAQUS软件强大的功能，工程师们可以轻松对橡胶弹性元件进行CAE仿真。下面介绍如何在ABAQUS对如下模型进行动静刚度的计算。

　　橡胶衬套模型

　　定义材料

　　为橡胶材料选择hyper elastic 属性和viscoelastic属性。Abaqus支持的应变能函数很多，也能通过用户子程序自己定义。并且可以输入实验数据并进行拟合，通过Evaluate功能来比较哪种材料模型与实测数据相匹配。

　　定义单元类型

　　在Abaqus/Standard中使用Hybrid单元，例如C3D8H，C3D20H，而在Abaqus/explicit中请使用缩减积分单元，例如C3D8R。

　　定义载荷步

　　注意打开几何非线性选项。

　　定义接触

　　Abaqus提供非常强大的接触功能来帮助用户模拟各种接触问题。由于橡胶材料的应变量和变形的程度都比较大，所以一般包括自接触和别的部件的接触。

　　接触对定义

　　设置摩擦系数

　　自我接触（self-contact）

　　定义其他

　　分析Step 类型载荷类型场输出历史输出

　　静刚度分析Static General静载荷NE：工程应变；S:应力；RF：反力；U：位移

　　动刚度分析Steady-state dynamic Direct动载荷NE：工程应变；S:应力RF：反力；U：位移

　　静载荷

　　动载荷

　　后处理

　　静刚度曲线

　　动刚度曲线

　　应变云图

　　04小结

　　本案例通过介绍如何通过Abaqus计算弹性元件动静刚度。说明Abaqus强大的非线性结构仿真能力，完整和灵活的材料定义模型，尤其是在类似的高分子材料仿真中，Abaqus能快速准确地帮助用户得到结果。