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1、有限元软件MSC．Marc／Mentat在橡胶材料分析中的应用?32?世界橡胶工业2005有限元软件MSC.Marc/Mentat在橡胶材料分析中的应用张振秀沈梅辛振祥(青岛科技大学,橡塑材料与工程教育部重点实验室,山东青岛266042)摘要:橡胶是一种特殊的材料,要实施橡胶制品的有限元分析,就要能综合处理几何非线性,材料非线性以及边界非线性问题.MSC.Marc拥有特殊的单元,材料和摩擦模型,以自动接触分析程序来分析橡胶制品.橡胶制品的非线性有限元分析已经成为设计过程的一个组成部分.关键词:非线性;MSC.Marc/Mentat;橡
2、胶;超弹性模型;复合材料;粘弹性;有限元分析中图分类号:TQ330.12文献标识码:A文章编号:1671—8232(2oo5)12—0032—04橡胶是一种独特的材料,被广泛应用于各行各业,因为它有着良好的阻尼和能量吸收特性,柔韧性,回弹性,使用寿命长,能够密封水,热和压力,易成型,具有不同的刚度等.正确地对橡胶制品进行分析,需要特殊的材料模型和不同于金属制品的有限元分析工具.橡胶的独特性能体现在:?非常大的应变(可达到百分之几百);?材料的应力应变呈高度的非线性关系;?材料近似或完全不可压缩;?粘弹性,很强的时间和温度依赖性.l橡胶
3、制品的模拟分析非线性有限元软件MSC.Marc拥有特殊的单元,材料和摩擦模型,可自动接触分析程序来分析橡胶制品.有效且真实地对设计的橡胶制品进行模拟分析.1.1材料的非线性行为1.1.1超弹性模型在橡胶材料的有限元分析中,材料模型用应变能函数表示,通常被称为超弹性模型.应变能函数用Green应变不变量来表示.橡胶材料在较短时问内及恒定的环境温度下,通常被处理为各向同性的不可压缩材料.MSC.Marc提高了10余种不同的描述不可压缩弹性体的作者简历:张振秀(1975一),男,现为青岛科技大学高分子科学与工程学院材料加工工程专业在读硕士研
4、究生,主要从事高分子制品及模具的计算机辅助设计及分析方面的工作应变能函数,包括最简单的Neo—Hookean函数,二项Mooney—Rivlin函数,三项Mooney—Rivlin函数,Signiorini函数,三次不变量函数,三次不变形函数Yeoh函数,Gent模型,广义Ogden应变能函数等.至于选用何种材料模型,Gent和Yeoh均指出,高次应变能函数的应用价值很小,因为类橡胶材料的重现性是不够的,不允许对大量的参数进行精确估计.因此,附加项只是用来修正实验误差.由于简单和实用,在FEA中应用最广泛的应变能函数,应该首选Moon
5、ey.Rivlin模型,尽管众所周知,但它并不精确.Neo—Hookean模型,在单轴拉伸中应变直到40%,在简单剪切中应变直到90%时,都有很好的相关性;双参数Mooney—Rivlin模型与拉伸实验数据在100%应变范围内的相关性都很好,但描述压缩变形时却很不够,它也无法解释大形变时材料的硬化行为;三项或多项Moonev.Rivlini模型可描述非常数剪切模量.然而,引入高次项后需小心计算,因其可能会导致不稳定能函数的产生,得到超出试验范围的非物理结果.Yeoh模型与其他高次模型的区别在于,它只依赖于第一个应变常数,经论证,当只用
6、来自单轴拉伸试验的数据时,此模型适合各种不同的变形方式,这就减少了材料试验的需求条件.在低应变条件下应用此模型时需特别细心,在简单拉伸中,Ogden模型可在应变直到700%时还与试验数据很相符.它还适应非常数剪切模量和轻微压缩的材料行为.它已经被第32卷第12期张振秀等.有限元软件MSC.Marc/Mentat在橡胶材料分析中的应用?33?成功地应用于O形圈,密封圈和其他工业产品的分析.1.1.2温度效应MSC.Marc能够处理超弹性材料的热效应.超弹性材料系数随温度变化的特性,可通过定义材料Mooney常数随温度的变化来描述.温度效
7、应在橡胶分析中非常重要,它会影响橡胶的各个方面,包括粘弹性,滞后效应和破坏.1.1.3复合材料MSC.Marc软件具有极强的复合材料模拟能力,能够描述层状复合材料,加强筋复合材料和实体复合材料.空气弹簧,轮胎是在基体材料(橡胶)中嵌入不同加强筋层(如钢筋,带束层)以增强材料强度的一类复合材料结构.MSC.Marc软件的加强筋复合材料模型,为这类复合材料提供了有效方法.与薄壁层状复合材料相对应的是厚壁或块状复合材料.由金属和橡胶组成的支承垫,纤维加强层的轮胎,用于成型的金属橡胶复合材料板材等都属于这一类型.用Marc中提供的可定义分层的
8、rebar单元来做帘线.橡胶复合材料的分析,由于其计算机机时的大大节省,受到越来越多的人的青睐.1.2由试验数据通过曲线拟和自动得到材料参数正确的模拟和设计橡胶制品,除了选择一个合适的橡胶材料模型外,材料参数的确定也至关
