基于ABAQUS的橡胶材料粘弹性特性仿真

《基于ABAQUS的橡胶材料粘弹性特性仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、基于ABAQUS的橡胶材料粘弹性特性仿真112王永冠，黄友剑，卜继玲1.株洲时代新材科技股份有限公司技术中心，株洲，412007.2.西南交通大学机械工程学院，成都，610031摘要：本文通过一个橡胶关节产品的径向载荷作用下材料及产品力学性能的变化为例，研究橡胶材料的粘弹性对其及产品性能的影响。分析过程充分说明Abaqus是研究橡胶粘弹性能的强有力的有限元分析工具。关键词：橡胶材料，ABAQUS，粘弹性，滞回曲线1引言自然界有两类众所周知的材料：弹性固体和粘性流体。弹性固体具有确定的构形，在静载作用下发生的变形与时间无关；粘性流体没有确定的形状，在外力作用下形变随时间而发展。而有一

2、些材料常同时具有弹性和粘性两种不同机理的变形，综合体现弹性固体和粘性流体的特性，材料的这种性质称为粘弹性。这类材料受力后的变形过程是一个延迟过程。因此，这类材料的应力不仅与当时的应变有关，而且与应变的全部变化过程有关，材料[1]应力应变意义对应的关系已不存在，应以应变关系与时间有关，这类材料称为粘弹性材料。2材料粘弹性力学行为物质粘弹性的宏观表象描述，着重于物质的力学行为与时间、频率和温度的相关性。本节简要阐述物质的粘弹性性能：准静态条件下物体的应力应变随时间而变化的基本现象，即蠕变和应力松弛；谐变作用时粘弹性性能的频率相关性；粘弹性行为的温度依赖性。本文通过一个橡胶关节产品径向加

3、载下的计算，且考虑橡胶材料的粘弹性属性，来全面系统地研究橡胶产品的各项力学性能。有限元模型及材料属性定义见图1所示。图1橡胶关节的有限元模型及材料属性定义考虑橡胶材料的粘弹性性能，在定义超弹性属性后，还需在材料属性定义中继续添加材料的粘弹性参数或滞回参数。ABAQUS提供了多种粘弹性或滞回参数的输入方式，最常见的有多项系数拟合、松弛及蠕变的实验数据[2]输入两种方式。本文采用前者对橡胶材料粘弹性属性进行描述。同时还可以输入时间温度参数，以描述橡胶材[2]料粘弹性的时温效应。橡胶一般通过滞回特性来描述材料的阻尼，所以滞回特性对研究橡胶产品的机械性能是[3]非常重要的。3基于ABAQU

4、S的粘弹性特性仿真结果本次计算主要考察橡胶材料及橡胶关节产品在考虑材料粘弹性属性后，机械性能的变化。包括：蠕变、应力松弛、滞回及时温效应。3.1蠕变[3]在恒定载荷（或应力）作用下，应变随时间而逐渐增加的过程或现象，称为蠕变。通常，不同的材料或某种材料在不同条件下的蠕变并不相同，聚合物尤为明显。图2表示在突加后保持恒定应力σ0作用下的一种蠕变曲线，应变ε=f(σ,t)，t表示时间。在较低应力水平下，固体材料的应变可能达到某一稳态值。图3为蠕变改变橡胶关节机械在宏观上的体现：在一定径向力作用下，产品的径向位移会逐渐增大并可能达到某一稳态值。0.300.250.20变0.15应0.10

5、0.050.000.00.20.40.60.81.0相对时间图2橡胶材料的蠕变曲线765mm/4移位3向径2100.00.20.40.60.81.0相对时间图3橡胶关节的蠕变曲线3.2应力松弛[3]在恒定应变下应力随时间而减小的现象或过程，称为应力松弛。图4表示一般的应力松弛，开始时应力较快地衰减，而后应力逐渐减低趋于某一固定值。从流变机理和相关模型看，粘性流动经过一些时间后将使应力较快地衰减至零。因而，在一定应变条件下，应力较快地降低并最后趋于零。因而，在以一定应变条件下，应力较快地降低并最后趋于零的物质是粘弹性流体；而经过较长的时间后应力衰减至某一定值的物质则为粘弹性固体。图5

6、为因橡胶材料的应力松弛特性，使得橡胶关节在一定径向位移地作用下，产品的径向载荷会逐渐减小并可能达到某一稳态值。2520a15PM/力10应500.00.20.40.60.81.0相对时间图4橡胶材料的应力松弛曲线400300Nk/荷200载向径10000.00.20.40.60.81.0相对时间图5橡胶关节的应力松弛曲线3.3频率相关性能蠕变、应力松弛等描述准静态载荷下一定或较长时间过程的粘弹性行为。然而，许多粘弹性材料及其结构所受的载荷随时间而交替变化，材料由于粘滞效应而与频率相关，产生能量耗散，这是粘弹性能的重要特征之一。图6为橡胶材料在3种频率：2Hz、8Hz、32Hz的简谐

7、载荷作用下的应力应变滞回曲线；图7则是材料的滞回特性在产品宏观机械性能上的体现，即产品在周期加载的工况下，载荷—位移曲线形成闭合，从而描述橡胶关节的阻尼性能。为了减小计算花费，故在计算中采用自动计算调节步长，所以得到的曲线不是很光滑。但仍然可以辨认滞回曲线的斜度随载荷频率的变化。随着载荷频率的增加，滞回曲线的斜度也在增大。建议采用固定时间增量，这虽然会增加计算时间，但能得到光滑的滞回趋向。84aPM0/力应2Hz加载-48Hz加载32Hz加载-8-0.3-0.2-0.