橡膠護套密封的非線性分析

1.1. 介紹

橡膠護套密封在許多工業應用中用于保護兩個閥體之間的柔性接頭。在汽車工業中，橡膠護套密封覆蓋在驅動軸上的恒速接頭，以保護它們免受外部元素(灰塵、濕度、泥漿等)的影響。這些橡膠護套的設計用于調整關節的最大可能擺動角度，并補償軸長度的變化。

這個橡膠護套密封的例子展示了幾何非線性(大應變和大變形)、非線性材料行為(橡膠)和變化狀態非線性(接觸)。這個例子的目的是展示surface-projection-based接觸方法的優點和確定位移行為的橡膠護套密封，壓力的結果和接觸點的位置的外表面和內表面軸運動期間啟動。

Surface-projection-based 接觸可以通過為接觸區域設置KEYOPT(4) = 3來定義基于表面投影的接觸。

此選項強制接觸約束在接觸和目標表面的重疊區域，而不是在單個接觸節點或高斯點上。在重疊區域上平均計算接觸穿透/間隙。

2.1. 問題描述

在此分析中考慮了半對稱橡膠護套密封。定義了三個接觸對。一種是橡膠套與圓柱軸之間的剛柔接觸，其余兩種是橡膠護套內外表面的自接觸副。

該問題通過三個加載步驟得到解決：

1. 圓柱和橡膠護套間的初始接觸

2. 圓柱的垂直位移(橡膠護套內軸向壓縮)

3. 圓柱的轉動(橡膠護套彎曲)

3.1. 材料模型

橡膠套由橡膠材料制成，在大應變下表現出彈性響應。因此，對于在下面的表格和Workbench截圖中列出的橡膠材料，使用Neo-Hookean模型，這是一種不可壓縮超彈性材料模型。

3.2. 建模

利用結構的對稱性，只建模了橡膠護套的一半。對于橡膠護套，采用超彈性材料模型。軸被設置為剛體。

3.2.1. 橡膠護套建模

低階六面體單元(SOLID185)用于橡膠護套，如下圖所示。

如下圖所示，橡膠護套的15個面采用2毫米的Face Sizing。

映射面用于剛性軸表面，如下圖所示。

通過Update后完成網格劃分，劃分結果如下圖所示

最終的網格模型如下圖所示。它總共有2641個單元。

3.2.2. 接觸對

定義了三個接觸對來模擬軸運動時橡膠護套內發生的接觸：

1. 剛性圓柱軸與橡膠護套內表面之間的剛性柔性接觸。

2. 采用基于表面投影的接觸方法在橡膠護套的內表面進行自接觸。

3. 采用基于表面投影的接觸方法在橡膠護套的外表面進行自接觸。

剛性軸與橡膠護套之間的剛柔接觸副

在剛性軸面與橡膠護套內30個面之間定義摩擦系數為0.2的摩擦接觸。

接觸設置如下：

Interference Treatment：ramped effects (KEYOPT(9) = 2)

Detection Method：On gauss point (KEYOPT(4) = 0)。

Update Stiffness：Each Iteration (KEYOPT(10) = 2)。

3.3. 邊界條件和荷載

通過限制平面外平移，模型被限制在對稱平面上。橡膠護套的底部部分限制在軸向和徑向上。這是通過應用無摩擦的支持，如下圖所示

遠程位移是通過軸底面的遠程點(上圖所示的遠程點2)范圍內的不同載荷步驟進行的位移和旋轉。指定了以下加載步驟：

加載步驟1：遠程位移受到各個方向的約束。

加載步驟2：當軸向下移動時，啟動密封被壓縮。軸的垂直運動由軸的中心軸末端的基礎節點(先導節點)的位移控制。向下位移10毫米應用。

加載步驟3：軸繞z軸旋轉31.5°，繞軸中心軸末端的基礎節點(先導節點)旋轉。

設置遠程點

遠端位移設置如下所示：

3.4. 分析和解決方案控制

3.4.1. 載荷步設置

非線性靜力分析分三個荷載步驟進行。分析中考慮了大變形特性。

完成載荷步設置后，打開大變形選項。

設置完成后進行計算求解。