关于橡胶结构网格布局问题的探讨

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1、关于橡胶结构网格布局问题的讨论黄友剑1、卜继玲2、刘建勋11，株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南株洲，4120072.西南交通大学机械工程学院，四川成都，610031摘要：橡胶结构因大变形使得计算中的网格出现扭曲，严重的网格畸变导致程序收敛失败，因此网格问题是分析大变形的橡胶结构最为关键的核心问题。为此本文详细探讨了橡胶结构下橡胶单元的变形特性，并在此基础上，针对不同的橡胶结构探索性地设计出符合橡胶大变形特性的网格布局和网格形状。工程分析实践表明，根据不同的结构及承载特性，设计出能有效反应橡胶变形的网格布局和网格形状，可使计算得到良好的变形效果和分析结果。关键

2、词：橡胶结构，网格布局，大变形前言橡胶材料是一种典型的超弹材料，具有大变形、大应变及强非线性的特点。与金属类材料的小应变特性不同，大应变特性的橡胶材料在承载过程中，其结构形状会随着载荷的增加而发生改变。在模拟橡胶类材料的大变形过程中，初始设置为良好质量的单元，在变形过程中，可能会遭受扭曲，甚至严重畸变，从而导致分析程序收敛失败。因此，为改善程序的收敛性，应理解橡胶单元的变形特性，并把握好网格的整体布局，从而使网格质量在整个分析阶段都能保持较好的水平，确保计算分析成功进行。1橡胶单元的变形特性橡胶材料在承载过程中，结构形状会不断改变，在模拟其大变形的过程中，橡胶单

3、元会经历这样的一个变化过程（见图1）：首先是小变形、大变形，然后进入到一定量的扭曲、严重畸变甚至发展到体积为负的这样一个网格质量不断恶化的过程。因此，为确保有限元分析的顺利进行，应根据橡胶元件的结构特性及加载特点设置出与其相适应的网格布局。即网格布局应既能反应橡胶元件的结构特点，又能表征某一承载方式的承载特性。图1网格形状的变化过程显然，相比于相同结构下小位移问题的网格设置，大位移问题的网格布局和网格设计更加复杂，难度更大。这是因为，大位移问题的网格必须保证使单元形状在整个分析过程中是合理的。因此，为确保大位移问题的网格设计满足分析要求，应在理解元件结构及承载特

4、性的基础上，充分预估模型的变形趋势，才能设计出有限元计算所需要的网格布局和网格质量。2典型橡胶结构的网格布局橡胶材料因其良好的弹性，在密封、减振降噪等领域得到了广泛应用。橡胶材料根据使用要求，被设计成不同的结构以满足其特定的性能。而从有限元分析的角度来讲，橡胶元件的单元布局及单元形状应能适应结构形状及加载方式。根据结构形状及加载的特定方式，本文以下探讨的典型橡胶元件的单元布局及单元形状均较好地考虑了这些因素。2.1圆形结构的网格布局在橡胶密封件领域，横截面为圆形或半圆形结构的密封件使用较多，为了确保良好的密封效果，实际密封前需要对密封元件进行高度预压缩。因此在有

5、限元分析中，为成功模拟出这种大变形下的预压缩效果，需要对密封结构进行针对其加载特性的网格布局（见图2），并最终产生环状式网格。在仿真计算中，利用这种网格布局，可以完成高达90％的变形量的分析（见图3）、而如果采用普通的网格布局及单元形状，一般仅能完成40％左右变形量的分析。图2圆形结构的网格布局图3密封要求下的变形效果2.2球铰结构的网格设置橡胶球铰（见图4）是一种不同于金属关节的弹性关节，根据使用要求可设计成不同的结构形状以满足其特定功能的要求，以提供轴向、扭转、径向及偏转等六向刚度及刚度组合。从有限元分析的角度来讲，需要设计一种合适的网格布局以使由此形成的网

6、格形状能适应各向变形及各向刚度的分析需要。图4橡胶球关节图5阶梯状网格图5为一种典型的分析球铰用的阶梯状网格，该阶梯状网格的优势在于可根据球铰的预压缩量及各向承载要求，参数化调整网格形状，以达到不同工况对网格的要求。因此该网格布局可适应球铰在大变形下的分析需要。2.3锥形结构的网格特性锥形弹簧（见图6）是一种在铁道机车车辆起减振作用的橡胶弹簧，它能提供大位移量的垂向挠度，其载荷、位移特征曲线表现为较强的非线性特性。它在承载时橡胶表面变形表现为高度褶皱、自接触等复杂形态。因此，要成功模拟其承载特性及变形，设计合适的网格布局及网格形状，是完成有限元分析最为重要的环节

7、。图6橡胶锥形弹簧图7截面的网格布局图7为锥形弹簧横截面上设置的放射状网格布局及单元形状，用以模拟其垂向承载特性。该放射状网格的优势在于可根据锥形弹簧垂向承载要求，适时参数化调整网格形状，以达到不同垂向承载大小对网格布局的要求。2.3堆类结构的网格设计堆类结构（见图8）主要应用于承受垂向压缩载荷工况，其元件疲劳破坏的部位主要为橡胶与上下铁件表面的接触区域。因此，精确地模拟出橡胶部位的应力应变状态，是研究堆类结构疲劳问题的关键而实现精确模拟的前提是设置适应结构形变的网格布局和网格形状。图9为一种典型的堆类结构有限元分析所用的层状网格，该层状网格的优势在于可根据堆类

8、结构的垂向载荷量及结构特