计算机模拟在橡胶材料疲劳性能预测中的应用

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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1前言橡胶的疲劳破坏指的是在周期变形或者外力作用下引起材料的物理机械性能下降。因为

2、这种疲劳破坏在周期性载荷下产生的，不是在短时间内发生，一般情况下犹如脆性失效一样，没有明显的塑性变形，所以这种潜在的危险十分值得我们去研究分析。本文对橡胶材料首先进行力学性能测试获取其基本力学数据，包括等容积压缩、单轴拉伸、平面剪切等，选择合适的本构模型，拟合得到本构模型参数。采用等加速试验方法绘制出疲劳寿命曲线(S—N曲线)。该过程是建立在弹性行为的叠加原理n]。基于上述条件，采用ABAQUS有限元分析软件计算相应的应力变化分布情况，然后利用FE-SAFE疲劳计算软件进行分析计算，将最终结果的ODB文件导入ABAQ

3、US软件中查看疲劳破坏状况。2实验理论基础实验过程中本构模型的选取对后期计算结果起着至关重要的作用，只有对本构模型的基本概念有了深入了解，才能在后期选出最合适的本构模型。对于各向同性材料来说，假定I。、I：、I。分别是柯西一格林变形张量的三个基本不变量，如果是初始没有应力构形的超弹性材料，应变能函数W可表示为[2，3]：W=W(Il，I2，13)(式1)I，=trC=C；；=入j+入：+入：(式2)12=}[(trC)2_trC2]=引112l—C州Cj)-(入。入2)2+(九2入3J2+(入3入。)2i，j=l，2

4、，3(式3)I3=detC=(入l入2入3)2(式4)C=UF(式5)F=粤(式6)J=detF(式7)式中，I为二阶张量不变量，下角标1，2和3表示互相垂直的3个方向。J是指橡胶材料变形后和变形之前的体积之比，F是指橡胶材料的本身固有的变形梯度，X和X指的是试样同一点在变形前和变形后所处的坐标。入为主方向上的伸长率，下角标l、2、3分别代表X、Y、Z轴三个方向。N次多项式理论也是基于唯象理论得出的本构模型。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：w--f(i，一3，i，

5、一3)+g(J一1)(式8)假设g=∑}(J一1)孙，然后进行泰勒公式展开后i21ui得出多项式表示的应变能如下：w_i善c。。(i。一3)1(i。一3)Jti刍"可1(j—1)2i(式9)上述模型方程主要用来表示橡胶本构模型，N是多项式阶数。材料初始体积模量为k。，剪切模量为u。，这些都取决于多项式的一阶系数。u0=2(Clo+C01)，k：2／Dl(式10)一29—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函数：W=C。o(I。一3)+Co。(12-3)(式11)Ri

6、vlin的二次方程为：W=C。。(I,-3)+Col(12-3)+C1l(11-3)(12-3)+C20(Ii-3)2+C02(Iz-3)2(式12)如果材料处在中等应变，方程(12)所表示的应力一应变曲线具有一个拐点，具备很好的拟合性。以Ogden模型为代表的唯象理论，采用主伸长率为变量表示的本构模型为：w-i；之≥(ij’+i：‘+i：'-3)+i；手(J一，，21(式13)——一三————式中入i_-j5九。一入。入。入。=1。．-IpA采用较少的项来很好地描述橡胶材料在不同应变条件下的应力应变状态，这是Ogd

7、en方程的优势。3实验3．1材料制备及力学性能测试试件由表1橡胶配方模压得到，然后制作成哑铃型试样，采用万能试验机测试出单轴拉伸应力应变曲线，如图1。表1橡胶配方图1天然胶应力应变曲线3．2疲劳曲线获取疲劳试样宽为25mm，厚为lmm，长度随着目标变形区域L0变化的长方形试样，被夹住的两端为38mm位置是不参与材料拉伸变形，同时分别靠近L0的5mm作为一30一消除误差，试样从L。拉伸变形为L，采用自动曲折试验机进行疲劳测试得出疲劳试验数据为表2。表2而【劳试验数据Lo／mmL／mm应变应力／MPa2Nf1#715．9

8、71．2552．161060l2#2041．871．0931．88108663#2852．920．8901．57222794#3257．070．7801．40275495#3047．730．5911．1741804将上述试验数据绘制成S—N曲线，为FE—SAFE软件计算疲劳结果做准备。3．3建模分析计算采用ABAQUS软件建模，基本流程包括几何