计算机模拟在橡胶材料疲劳性能预测中应用

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1、广东建材2015年第10期材料研究与应用计算机模拟在橡胶材料疲劳性能预测中的应用曹婷婷(广东广业检测有限公司)【摘要】橡胶材料被广泛应用到仪器设备、管道衔接、汽车、航空机械等各个领域，主要源于其大变形和不可压缩特性。在实际使用中，橡胶的疲劳性能是需要考虑的重要因素。本文采用ABAQUS等有限元分析软件对橡胶材料的疲劳寿命进行预测和分析，文中设计了实验流程，对橡胶材料疲劳性能进行预测，进而确定实验的可行性。【关键词】橡胶；疲劳寿命；有限元122221前言=2軈I1-CijCij軈=軈λ1λ2軈+軈λ2λ3軈+軈λ3λ1軈橡胶的疲劳破坏指的是在周期变形或者

2、外力作用i，j=1,2,3(式3)下引起材料的物理机械性能下降。因为这种疲劳破坏在I=detC=軈λλλ3軈2(式4)312周期性载荷下产生的，不是在短时间内发生，一般情况C=FTF(式5)下犹如脆性失效一样，没有明显的塑性变形，所以这种坠xF=(式6)潜在的危险十分值得我们去研究分析。坠X本文对橡胶材料首先进行力学性能测试获取其基J=detF(式7)本力学数据，包括等容积压缩、单轴拉伸、平面剪切等，式中，I为二阶张量不变量，下角标1，2和3表示选择合适的本构模型，拟合得到本构模型参数。采用等互相垂直的3个方向。J是指橡胶材料变形后和变形之加速试验方法

3、绘制出疲劳寿命曲线（S-N曲线）。该过程前的体积之比，F是指橡胶材料的本身固有的变形梯是建立在弹性行为的叠加原理[1]。基于上述条件，采用度，x和X指的是试样同一点在变形前和变形后所处的ABAQUS有限元分析软件计算相应的应力变化分布情坐标。λ为主方向上的伸长率，下角标1、2、3分别代表况，然后利用FE-SAFE疲劳计算软件进行分析计算，将X、Y、Z轴三个方向。最终结果的ODB文件导入ABAQUS软件中查看疲劳破坏N次多项式理论也是基于唯象理论得出的本构模状况。型。假设是各项同性材料，橡胶材料的应变能密度就可以分解为体积应变能和应变偏量能，方程如下：2

4、实验理论基础W=f軈I軈-3，I軈-3軈+gJ-軈1軈(式8)12实验过程中本构模型的选取对后期计算结果起着N12i至关重要的作用，只有对本构模型的基本概念有了深入假设g=Σ軈J-1軈，然后进行泰勒公式展开后i=1Di了解，才能在后期选出最合适的本构模型。得出多项式表示的应变能如下：对于各向同性材料来说，假定I1、I2、I3分别是柯西NijN-格林变形张量的三个基本不变量，如果是初始没有应12iW=ΣCij軈I軈-3軈軈I軈-3軈+Σ軈j-1軈(式9)12D[2,3]i+j=1i=1力构形的超弹性材料，应变能函数W可表示为：上述模型方程主要用来表示橡胶

5、本构模型，N是多W=W(I1，I2，I3)(式1)222项式阶数。材料初始体积模量为k0，剪切模量为μ0，这I=trC=C=λ+λ+λ(式2)1ii123些都取决于多项式的一阶系数。122I2=軈軈trC軈-trC軈μ0=2(C10+C01)，k=2/D1(式10)2-29-材料研究与应用广东建材2015年第10期Mooney通过物质相变理论和大量实验得出应变能消除误差，试样从L0拉伸变形为L，采用自动曲折试验函数：机进行疲劳测试得出疲劳试验数据为表2。W=C10(I1-3)+C01(I2-3)(式11)表2疲劳试验数据Rivlin的二次方程为：L0/

6、mmL/mm应变应力/MPa2NfW=C10(I1-3)+C01(I2-3)+C11(I1-3)(I2-3)1#715.971.2552.1610601222#2041.871.0931.8810866+C20(I1-3)+C02(I2-3)(式12)3#2852.920.8901.5722279如果材料处在中等应变，方程(12)所表示的应力-4#3257.070.7801.4027549应变曲线具有一个拐点，具备很好的拟合性。5#3047.730.5911.1741804以Ogden模型为代表的唯象理论，采用主伸长率为将上述试验数据绘制成S-N曲线，

7、为FE-SAFE软件变量表示的本构模型为：计算疲劳结果做准备。nnααα2μiii12iiW=Σ2軘λ軘+λ軘+λ軘-3軘+Σ軘J-1軘3.3建模分析计算i=1α123i=1Di采用ABAQUS软件建模，基本流程包括几何建模、赋(式13)予材料边界条件和材料性能，施加载荷、网格划分和建1-3立分析步以及最后的工作提交。其中定义材料性能需要式中λ軘i=Jλi→λ軘1λ軘2λ軘3=1。可以采用较少的项根据单轴拉伸应力应变曲线找出最合适的本构模型参来很好地描述橡胶材料在不同应变条件下的应力应变数，文章[4]中提到怎样才能找出其他材料模型的输入参状态，这是Og

8、den方程的优势。数的方法。在ABAQUS软件中Property中的Evaluate3实验键进