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橡胶的超弹性问题解析

时间:2023-11-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:如图11-62所示的橡胶支座,两端固定在厚度为5mm的钢板上,通过钢板把载荷均匀传给橡胶垫。图11-62 支座对于应用在支座上的橡胶材料,其材料是不可压缩的。表11-1 单轴拉伸试验表11-2 双轴拉伸试验数据表11-3 平面剪切试验图11-63所示为基于试验数据作出的材料曲线,试验曲线直观地表达了橡胶材料的非线性特征。图11-72所示为ABAQUS计算的材料参数与试验数据的对比。由于本例的载荷不足以令钢材料发生非弹性的变形,所以钢材料直接采用线弹性材料即可。

橡胶的超弹性问题解析

如图11-62所示的橡胶支座,两端固定在厚度为5mm的钢板上,通过钢板把载荷均匀传给橡胶垫。该例中模型和载荷都是轴对称的,故在模拟中应用轴对称单元。在构件中取一个通过对称轴的平面,如图11-62右图所示,再根据该平面的对称性,取半平面来模拟,其中每个单元代表一个圆环。

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图11-62 支座

对于应用在支座上的橡胶材料,其材料是不可压缩的。现有支座上橡胶材料的三组不同的试验数据:单轴拉伸试验、双轴拉伸试验和平面剪切试验,试验数据见表11-1、表11-2、表11-3。

表11-1 单轴拉伸试验

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表11-2 双轴拉伸试验数据

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表11-3 平面剪切试验

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图11-63所示为基于试验数据作出的材料曲线,试验曲线直观地表达了橡胶材料的非线性特征。

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图11-63 橡胶材料试验曲线

(1)启动ABAQUS/CAE,新建一个采用Standard/Explicit类型的模型数据库。进入“部件”功能模块,开始创建部件。

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-112.jpg按钮,弹出图11-64所示的“创建部件”对话框,选择轴对称的壳部件,尺寸大约为“0.3”,单击“继续”按钮。

在视图区中绘制如图11-65所示的草图。

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图11-64 “创建部件”对话框

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图11-65 截面草图

完成截面草图绘制,单击中键,生成如图11-66所示的一个壳。

(2)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-115.jpg按钮,将壳拆分为如图11-67所示的两个分区。

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图11-66 生成壳

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图11-67 两个分区

(3)进入“属性”功能模块,单击“编辑材料”按钮,弹出图11-68所示的“编辑材料”对话框。在对话框中的“试验数据”下拉菜单中,选择“等轴试验”选项,输入等轴试验数据,如图11-69所示。

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图11-68 “编辑材料”对话框

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图11-69 输入等轴试验数据

在“编辑材料”对话框中的试验数据下拉菜单中,选择“双轴试验”选项,输入双轴试验数据如图11-70所示。选择“平面试验”选项,输入平面试验数据如图11-71所示。

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图11-70 输入双轴试验数据

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图11-71 输入平面试验数据

输入完成后单击“确定”完成材料创建。图11-72所示为ABAQUS计算的材料参数与试验数据的对比。

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图11-72 ABAQUS材料参数与试验数据对比

图形界面相比,命令方式对于这种复杂的材料行的定义更为直接。首先需要创建一个材料。

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为方便起见可以直接从实验数据选择所要数据,复制到INP文件中,再修改为相应代码格式即可。

(4)由于本例的载荷不足以令钢材料发生非弹性的变形,所以钢材料直接采用线弹性材料即可。请参考前面相关章节对线性静态分析的介绍,自行完成名称为“Steel”,弹性模量为2×

105MPa,泊松比为0.3的线弹性材料的创建。或者在“关键字编辑器”中直接输入。

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(5)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-126.jpg按钮,弹出图11-73所示的“创建截面”对话框,输入截面名称,定义截面类型为均质实体,单击“继续”按钮,弹出图11-74所示的“编辑截面”对话框。

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图11-73 “创建截面”对话框

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图11-74 “编辑截面”对话框

选择Rubber材料,单击“确定”。重复上述操作,定义名为SecSteel的截面,选择钢材料。

(6)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-129.jpg按钮,将橡胶材料与钢材料分别指派给对应的分区,如图11-75所示为橡胶材料分区,如图11-76所示为钢材料分区。

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图11-75 指派橡胶材料

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图11-76 指派钢材料

(7)进入“装配”模块,单击978-7-111-48652-7-Chapter11-132.jpg按钮,弹出图11-77所示的“创建实例”对话框,选择部件,单击“确定”完成实例化,如图11-78所示。

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图11-77“ 创建实例”对话框

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图11-78 部件实例化

(8)进入“分析步”模块,单击978-7-111-48652-7-Chapter11-135.jpg按钮,弹出图11-79所示的“创建分析步”对话框,输入分析步名称,选择通用静力分析步,单击“继续”按钮。

弹出图11-80所示的“编辑分析步”对话框,打开几何非线性开关,在“增量”选项卡中设置初始时间增量为0.01,单击“确定”完成分析步设置。

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图11-79 “创建分析步”对话框

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图11-80 “编辑分析步”对话框

也可以采用如下方式定义分析步。

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(9)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-139.jpg按钮,弹出图11-81所示的“场输出请求管理器”对话框,单击“编辑”按钮,弹出图11-82所示的“编辑场输出请求”对话框,按图11-82勾选输出请求。

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图11-81 “场输出请求管理器”对话框

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图11-82 “编辑场输出请求”对话框

完成分析步设置后,进入“载荷”模块,开始载荷的定义。

(10)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-142.jpg按钮,弹出图11-83所示的“创建载荷”对话框,选择“力学”类型下的“压强”,输入载荷名称,单击“继续”,拾取模型的下边线,单击中键弹出图11-84所示的“编辑载荷”对话框。

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图11-83 “创建载荷”对话框

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图11-84 “编辑载荷”对话框

输入载荷的大小为“0.5E6”,即0.5MPa,单击“确定”。

也可以使用DSLOAD命令指定载荷。

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(11)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-146.jpg按钮,弹出图11-85所示的“创建边界条件”对话框,选择“力学”类别下的“对称/反对称/完全固定”类型,单击“继续”,拾取模型上边线,单击中键,弹出图11-86所示的“编辑边界条件”对话框。

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图11-85 “创建边界条件”对话框

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图11-86 “编辑边界条件”对话框

选择“YSYMM(U2=UR1=UR3=0)”,即Y方向对称,单击“确定”完成边界定义。命令方式如下,更为简洁。

978-7-111-48652-7-Chapter11-149.jpg(www.xing528.com)

由于ABAQUS可以自行避免刚体运动,所以载荷与边界定义完成后不用再进行其他约束。

(12)进入“网格”模块。单击978-7-111-48652-7-Chapter11-150.jpg(为边布种)按钮,按<Shift>键拾取所有水平边线,单击中键弹出图11-87所示的“局部种子”对话框,选择“按个数”控制单元,输入单元数为“30”,单击“确定”完成设置。

重复上述操作,为橡胶材料的竖直边定义14个单元,钢材料的竖向边定义1个单元,完成布种如图11-88所示。

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图11-87 “局部种子”对话框

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图11-88 完成布种

(13)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-153.jpg按钮,拾取两个分区,单击中键,弹出图11-89所示的“网格控制属性”对话框,选择四边形单元,“技术”为“结构”,单击“确定”完成设置。

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-154.jpg按钮,拾取模型的上半分区,单击中键,弹出图11-90所示的“单元类型”对话框,选择轴对称的杂交实体单元(CAX4H),单击“确定”完成设置。在命令中,对应的区域应使用如下命令。

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图11-89 “网格控制属性”对话框

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图11-90 “单元类型”对话框

重复上述操作,为模型的下半分区即钢材料部分指定为单层的非协调元模式单元(CAX4I)。在命令中,对应的区域应使用如下命令。

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(14)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-159.jpg按钮,再单击中键,完成网格划分如图11-91所示。

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图11-91 完成网格划分

完成网格划分后,即可以开始创建分析作业,进入“作业”模块。

(15)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-161.jpg按钮,弹出图11-92所示的“创建作业”对话框。输入作业名称,单击“继续”按钮,弹出图11-93所示的“编辑作业”对话框。

在“编辑作业”对话框的“通用”选项卡中,勾选“打印输入数据的echo”,单击“确定”完成。

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图11-92 “创建作业”对话框

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图11-93 “编辑作业”对话框

至此提交分析的设置已完成。

(16)单击978-7-111-48652-7-Chapter11-164.jpg按钮,弹出图11-94所示的“作业管理器”对话框,单击“写入输入文件”按钮完成INP文件的写入。单击“数据检查”,信息区显示:

“作业输入文件"Nonlinear.inp"已提交分析。

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图11-94 作业管理器

说明检查成功,可以进入分析。

单击“提交”,开始分析。在图11-95所示的监控器中可以监视分析过程。

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图11-95 监控器界面

本例为读者提供了INP文件,读者可以参考本例,通过示例代码,练习自己动手编写。

(17)完成分析后,单击“作业管理器”中的“结果”按钮,即进入“可视化”模块,进行后处理。

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-168.jpg,选择主变量下的应变能,如图11-96所示,单击“确定”,在视图区中显示应变能云图,如图11-97所示。

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图11-96 选择应变能

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图11-97 应变能云图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-171.jpg,选择主变量下的弹性应变能密度,如图11-98所示,单击“确定”,在视图区中显示弹性应变能密度云图,如图11-99所示。

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图11-98 选择弹性应变能密度

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图11-99 弹性应变能密度云图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-174.jpg,选择主变量下的反作用力,如图11-100所示,单击“确定”,在视图区中显示反作用力云图,如图11-101所示。

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图11-100 选择反作用力

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图11-101 反作用力云图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-177.jpg,选择主变量下的积分点应力分量,选择S11分量,如图11-102所示,单击“确定”,在视图区中显示第一主应力云图,如图11-103所示。

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图11-102 选择积分点应力分量

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图11-103 第一主应力云图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-180.jpg,选择主变量下的积分点处的应变能密度,如图11-104所示,单击“确定”,在视图区中显示积分点处的应变能密度云图,如图11-105所示。

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图11-104 积分点处的应变能密度

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图11-105 积分点处的应变能密度云图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-183.jpg,选择主变量下的空间位移,如图11-106所示,单击“确定”,在视图区中显示结点位移云图,如图11-107所示。

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图11-106 选择空间位移

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图11-107 结点位移云图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-186.jpg,选择符号变量下的对数应变分量,如图11-108所示,单击“确定”,在视图区中显示对数应变分量符号图,如图11-109所示。

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图11-108 选择对数应变分量

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图11-109 对数应变分量符号图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-189.jpg,选择符号变量下的反作用力,如图11-110所示,单击“确定”,在视图区中显示反作用力符号图,如图11-111所示。

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图11-110 选择反作用力

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图11-11 1反用力符号图

此时的反作用力实际上是该截面的内力。

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-192.jpg,选择符号变量下的应力,如图11-112所示,单击“确定”,在视图区中显示应力符号图,如图11-113所示。

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图11-112 选择符号变量下的应力

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图11-113 应力符号图

单击978-7-111-48652-7-Chapter11-195.jpg,选择符号变量下的变形,如图11-114所示,单击“确定”,在视图区中显示变形符号,如图11-115所示。

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图11-114 选择符号变量下的变形

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图11-115 变形符号

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