采用Marc進(jìn)行橡膠件疲勞壽命分析

Cruise

2023年6月6日 16:33

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橡膠件疲勞分析概述

在橡膠件CAE仿真分析中，通常需要進(jìn)行橡膠件剛度，密封性等仿真工況的分析，但如何進(jìn)行橡膠疲勞壽命的分析當(dāng)前仍然是困擾行業(yè)的難題。

Marc軟件在橡膠、密封行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用，針對(duì)橡膠疲勞壽命的仿真，Marc有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)：

? 通過Mullins效應(yīng)進(jìn)行橡膠件的損傷分析，當(dāng)損傷到達(dá)1時(shí)，認(rèn)為橡膠出現(xiàn)開裂，但是在實(shí)際仿真計(jì)算中需要進(jìn)行大量的分析計(jì)算，工作量巨大。

? 通過彈性體疲勞壽命損傷理論來進(jìn)行疲勞壽命分析。其基本思想和傳統(tǒng)的金屬疲勞的一致，且仿真計(jì)算工作量很小，適合在工程計(jì)算中應(yīng)用。

下面，我們將介紹如何采用彈性體疲勞壽命損傷理論來進(jìn)行疲勞壽命分析。

彈性橡膠體的疲勞理論介紹

根據(jù)彈性體疲勞理論，彈性體的壽命和其對(duì)數(shù)應(yīng)變和格林應(yīng)變存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是Woehler公式，其形式如下：

上述公式中，

為彈性體破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，采用Marc進(jìn)行橡膠件疲勞壽命分析的圖5

為其對(duì)應(yīng)的最大對(duì)數(shù)應(yīng)變和格林應(yīng)變。A和n為需要擬合的參數(shù)。其曲線的擬合形式如下圖所示。

然后通過雨流計(jì)數(shù)法則進(jìn)行變幅損傷累積疊加，如下表達(dá)式。當(dāng)D<1認(rèn)為彈性體沒有發(fā)生破壞，當(dāng)D≥1認(rèn)為彈性體發(fā)生破壞。

在實(shí)際的計(jì)算中，只需計(jì)算一個(gè)周期的載荷循環(huán)，就可以進(jìn)行彈性體壽命的預(yù)測(cè)。下面將介紹如何在Marc中進(jìn)行彈性體疲勞壽命的擬合。

橡膠體疲勞計(jì)算案例

以汽車襯套為例，首先在現(xiàn)有的橡膠材料模型參數(shù)的參數(shù)基礎(chǔ)上，需增加用于彈性體疲勞計(jì)算的參數(shù)，如下圖所示：

其中，系數(shù)A和N分別對(duì)應(yīng)Woehler公式里面的A和n。

其次，定義橡膠襯套的載荷計(jì)算工況。在該案例中，我們定義襯套沿徑向進(jìn)行0.5mm的正弦振動(dòng)。載荷加載形式為正弦波，在一個(gè)正則時(shí)間步內(nèi)完成。

同時(shí)在結(jié)果輸出中，需要將對(duì)數(shù)應(yīng)變輸出，以用于后續(xù)的疲勞壽命計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下圖所示。可以看到，最大對(duì)數(shù)主應(yīng)變發(fā)生在橡膠襯套和套筒接觸區(qū)域，以及在襯套邊緣接觸區(qū)域。

在此基礎(chǔ)上，新增一個(gè)用于疲勞計(jì)算的分析任務(wù)，用于疲勞壽命計(jì)算。其計(jì)算設(shè)定參數(shù)如下圖所示。其中，載荷類型采用變幅載荷，載荷歷程計(jì)算方法采用重復(fù)計(jì)數(shù)法則以保證半周期的載荷也被考慮進(jìn)去。選定前一步計(jì)算好的結(jié)果文件，并定義好應(yīng)變壽命計(jì)算的增量步范疇，該分析取第一步到最后一步的應(yīng)變進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算。

疲勞計(jì)算結(jié)果如下圖所示，可以看到其損傷最大的位置在橡膠特征倒角處，最大損傷值為6.28e-5。這與前面計(jì)算的最大對(duì)數(shù)應(yīng)變的位置相對(duì)應(yīng)。

小結(jié)

采用Marc軟件，可以很方便的在計(jì)算完強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，進(jìn)行橡膠件疲勞壽命的計(jì)算。從而幫助客戶快速預(yù)測(cè)橡膠件的疲勞壽命，提升產(chǎn)品開發(fā)效率。

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采用Marc進(jìn)行橡膠件疲勞壽命分析的圖13