橡膠這種超彈性材料在醫(yī)療器材、工業(yè)、建筑和國防中等都具有廣泛的應(yīng)用。但橡膠的本構(gòu)關(guān)系非常復(fù)雜，在大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，人們建立了很多理論模型來描述其力學(xué)特征。本文主要對(duì)Abaqus中橡膠本構(gòu)模型的選擇進(jìn)行簡單介紹。

一、概述

與金屬材料不同，橡膠在受力以后的變形非常復(fù)雜，并伴隨著大位移和大應(yīng)變。橡膠材料本身又是非線性材料，本構(gòu)關(guān)系復(fù)雜，無法像金屬材料那樣僅需幾個(gè)系數(shù)便可描述材料特性。

此外，橡膠在變形過程中的體積幾乎不變，同時(shí)其力學(xué)行為對(duì)溫度、環(huán)境、應(yīng)變歷史、加載速率等十分敏感，這樣就使得描述橡膠的行為更加復(fù)雜。

隨著技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在可借助計(jì)算機(jī)使用有限元方法來分析工業(yè)中橡膠元件的力學(xué)性能，包括選取橡膠的本構(gòu)模型、擬合本構(gòu)模型等。

二、Abaqus中本構(gòu)模型的選擇

在Abaqus中進(jìn)行橡膠材料的本構(gòu)模型選擇、主要包括以下幾個(gè)步驟：

1、在Module中下拉選擇property，并依次創(chuàng)建密度、延展性和超彈性項(xiàng)，如圖1~圖3所示。

2、接下來需要定義橡膠超彈性的參數(shù)，包括試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、本構(gòu)模型的識(shí)別和擬合選擇等。這里的數(shù)據(jù)導(dǎo)入以單軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，各步操作如圖4~圖5所示。

3、數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成之后，就根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行本構(gòu)模型的識(shí)別。如圖6~圖7所示。

其中，圖7中Test setup項(xiàng)可以默認(rèn)；后面一個(gè)是可能相關(guān)的本構(gòu)模型，可以根據(jù)數(shù)據(jù)大體判斷勾選。然后點(diǎn)擊OK開始根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行本構(gòu)模型識(shí)別。

4、在計(jì)算完成之后，會(huì)出現(xiàn)兩種結(jié)果，如圖8~圖10所示。

由圖8可知試驗(yàn)數(shù)據(jù)與不同本構(gòu)模型的曲線相似度，圖9和圖10可直接判斷哪個(gè)本構(gòu)模型更合適，如圖9的unstable可能不如圖10的stable本構(gòu)模型合適。

然后再回到圖4中，在strain energy potential中下拉選擇比較合適的本構(gòu)模型即可。

三、其他說明

需要補(bǔ)充幾點(diǎn)說明：

1、當(dāng)材料行為是不可壓縮（泊松比=0.5）或非常接近于不可壓縮（泊松比＞0.475）時(shí)，則不能用常規(guī)單元來模擬（平面應(yīng)力情況除外），因?yàn)榇藭r(shí)單元中的壓應(yīng)力是不確定的；

2、如圖11所示，考慮均勻靜水壓力作用下的一個(gè)單元，材料若不可壓縮，則其體積在均勻壓力作用下并不改變，單元內(nèi)部的變形是非確定量，壓應(yīng)力無法由單元內(nèi)部積分點(diǎn)處的應(yīng)變得到，或者無法從節(jié)點(diǎn)位移得到節(jié)點(diǎn)力；

3、對(duì)于具有不可壓縮材料性質(zhì)的任何單元，一個(gè)純位移的數(shù)學(xué)公式是不確定的。Abaqus中采用雜交單元來處理，雜交單元包含一個(gè)可直接確定單元壓應(yīng)力的附加自由度。節(jié)點(diǎn)位移只用來計(jì)算偏應(yīng)力和偏應(yīng)變；

4、橡膠就是一種典型的具有不可壓縮性質(zhì)的材料，如建立六面體有限元網(wǎng)格時(shí)，其單元類型應(yīng)選為C3D8RH雜交單元；同時(shí)，計(jì)算中有大位移，需要將載荷步中的Nlgeom選為On。

文章來源：汽車CAE仿真知識(shí)庫