ABAQUS-橡膠材料建模

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2023年7月11日 11:33

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這篇文章，我們介紹ABAQUS關于橡膠材料模型的建模方法。

橡膠材料(如熱塑性塑料)主要用于輪胎、消費品、醫療或密封等工業領域的解決方案，但橡膠也存在于許多其他工程領域。今天，我將介紹ABAQUS在密封領域中橡膠模擬的應用，以顯示它高效強大的橡膠建模能力。
在密封領域的設計階段使用仿真手段為解決方案提供指導正在成為一個必要的步驟，可以幫助識別和更好地了解產品的行為。Trelleborg、Parker、Eriks、Lagersmit等密封領域的老牌公司已經使用SIMULIA的ABAQUS有限元分析(FEA)進行了很多應用研究，以幫助它們在開發/測試階段獲得更好的結果。在許多情況下，由于其復雜的幾何形狀和材料特性，在進行實際測試之前，尚不清楚產品的性能。這樣，從實驗中也只能獲得有限的信息，而從數值模擬中可以研究數百個變量，并且可以預測其行為，而不需要付出很大的代價。

建立準確的材料模型

超彈性

在任何有限元分析中，最重要的事情之一就是要對材料有一個很好的描述。橡膠是超彈性材料，他們可以承受很大的變形，而不發生塑性應變。ABAQUS有幾種超彈性材料模型，可以捕捉大多數商業橡膠的響應。描述模型的參數可以很容易地與實驗數據進行擬合和對比。例如，您可以進行拉伸測試，然后在ABAQUS中使用該測試數據作為輸入。內部通過數值擬合自動獲得參數。ABAQUS支持四種實驗：單軸拉伸、等軸拉伸、剪切和體積試驗。

粘彈性

橡膠材料中另一個非常重要的特性叫做粘彈性。隨著時間的推移，材料的行為方式并不相同，而是與歷史有關；隨著時間的推移，聚合物鏈可以相對滑動。在這種情況下，應該提到兩個非常重要的概念：蠕變和應力松弛。蠕變是指在施加恒定的載荷，變形隨著時間的推移而增大，直到達到平衡為止。應力松弛是指施加恒定變形，產生的反作用力隨著時間的推移而下降，直到，再次達到平衡。與超彈性模型一樣，ABAQUS還提供了捕捉這些重要現象的模型，從而考慮線性和非線性粘彈性。用戶必須將這些模型與實驗數據相匹配，支持剪切和體積試驗數據導入(對于蠕變和應力松弛)。

例子：機械密封

模型描述在下面的例子中，將使用橡膠材料來模擬液體的密封。通過該實例將更好地理解上述行為，另外還將引入壓力滲透的概念，特別是模擬流體壓力的影響，而無需對流體本身進行建模。

這個例子是一個軸對稱形狀的密封件，如圖1所示，有三個唇向內延伸，可以很好的匹配內管。這三個嘴唇創造了三個面，將抵制流體滲入。這里采用Neo Hookean超彈性模型與實驗剪切松弛數據的粘彈性模型相結合。

ABAQUS-橡膠材料建模的圖1

圖1.三唇密封件的軸對稱模型

模擬

第一步：安裝密封件：將密封件安裝在剛性管道上，圖2。為了便于觀察，只顯示了1/4模型。當密封件安裝在管道后，橡膠材料產生了較大的應力，如圖3。這是因為管道的外徑大于密封件的內徑，從而保證了壓力接觸連接。圖2.裝配前管道和密封件的初始位置，安裝時管道將軸向下移動

ABAQUS-橡膠材料建模的圖2

圖3.安裝在管道中后在密封件產生的應力。

第二步-應力松弛：在第二步，隨時間增加，可以觀察到粘彈性的影響。由于這種隨時間變化的材料特性，應力幾乎松弛到1/4，如圖4。在第1步結束時，最大應力為214.4 MPa，松弛后最大應力降至58.9MPa。

ABAQUS-橡膠材料建模的圖3

圖4. 50秒后密封件中的應力

第三步-壓力滲透：在第三步中，模擬了5 MPa的流體壓力對管道和上唇表面的壓力作用。這樣的壓力足以將第一唇(頂部)與管道分離，從而滲透到第二層(第二唇)。然而，這樣的壓力不足以打開第二唇，如圖5所示。因此，在這些邊界條件下，系統可以被認為是無泄漏的。

ABAQUS-橡膠材料建模的圖4

圖5. 壓力滲透情況

通過這種模擬，調整內部壓力，以確定多大的壓力會使第一個密封唇分離，并滲透到第二個。與傳統的內部壓力相比，壓力滲透的優點是，你只能預先指定壓力作用的位置，如果足夠打開第一個密封，但它還是只會停在那里，它不會滲透到第二個密室。另一方面，壓力滲透模擬一旦第一個密封唇失敗，流體可以進一步滲透。因此，通過使用壓力滲透，您可以監測壓力是否仍足以打開第二唇，使密封流體泄漏。最后，我想強調考慮類似橡膠材料的粘彈性的重要性。圖6顯示了密封件上的徑向反作用力，因此當將其安裝到管道上時產生的力達到了接近110 N，但由于粘彈性效應，達到接近穩定狀態時，該力在50s后會下降到40N以下。這種影響可以概括為密封變得松散，因此，我們可以預測，在壓力滲透步驟，一個相對較低的內部壓力可以足夠打開第一唇。