ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程


密封圈是一種常用的密封元器件,具有制造簡單、使用方便、成本低廉等特點,廣泛應用于石油化工、機械和宇航領域。由于橡膠材料具有超彈性能,當受到較大外載時,表現出高度非線性的特性,往往使得密封圈的精確仿真求解十分困難。


ABAQUS 是一套功能強大的工程模擬的有限元軟件,其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。ABAQUS 包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫。并擁有各種類型的材料模型庫,可以模擬典型工程材料的性能,其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫材料以及土壤和巖石等地質材料,作為通用的模擬工具, ABAQUS 除了能解決大量結構(應力/位移)問題,還可以模擬其他工程領域的許多問題,例如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、巖土力學分析(流體滲透 / 應力耦合分析)及壓電介質分析。


橡膠密封墊的密封性常用表面接觸應力大小來表示,其力學行為常用超彈性本構模型來描述,同時橡膠具有黏彈性特性,在長期受壓狀態下,會出現力學松弛現象。



本篇文章展示ABAQUS軟件在仿真橡膠墊的超彈性變形行為及應力松弛現象的功能,應力釋放模型采用應力釋放實驗數據,超彈性模型為Mooney-Rivlin超彈性力學模型:

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖1

在軟件進行模型裝配,裝配后如圖1所示。先對上模具施加位移,待橡膠密封墊片獲得一定應力場后再仿真應力釋放過程,分別采用靜力隱身和粘性分析步,然后設置場變量和歷史變量輸出,分別如圖2和圖3所示。

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖2 
圖1 模型裝配圖 

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖3
圖2 變量輸出

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖4
圖3 歷史變量輸出

定義上下模具與橡膠密封墊,摩擦系數為0.16,定義好之后如圖4所示。定義對稱、強制位移和固定邊界條件,定義好后如圖5所示。對橡膠墊圈劃分網格,采用自由網格劃分技術,劃分后如圖6所示,單元類型選擇CPE4RH:  A 4-node bilinear plane strain quadrilateral, hybrid, constant pressure, reduced integration, hourglass control和CPS4R:  A 4-node bilinear plane stress quadrilateral, reduced integration, hourglass control.

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖5  
圖4 定義好的接觸狀態 

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖6
 圖5 邊界條件

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖7 圖 6 劃分后的網格

創建分析任務,兩個單元類型設置兩個分析步,先后提交計算,待計算完成,查看結果。第一個分析步結束后,平面應變單元的計算結果如圖7和圖8所示,平面應力單元的計算結果如圖9和圖10所示。第二個分析步結束后,平面應變單元的計算結果如圖11和圖12所示,平面應力單元的計算結果如圖13和圖14所示。

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖8
圖7 Mise應力云圖  
  
ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖9
圖8 平面內主應變云圖
  
ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖10
圖9 Mise應力云圖 

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖11
圖10 平面內主應變云圖    
    
ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖12
圖11 Mise應力云圖 

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖13

圖12 平面內主應變云圖

  ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖14
圖13 Mise應力云圖

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖15
 圖14 平面內主應變云圖      
       
對比圖7與圖11、圖8與圖12、圖9和圖13、圖10和圖14不論采用哪種單元類型,應力應變均減小。從圖15和圖16中可以看出,橡膠密封墊在壓縮位移作用下,力非線性增加,應力得以釋放后,力先是迅速下降后又平緩降低。該仿真算法及數值分析為確定密封圈性能提供了參考。

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖16   
圖15 第一個分析步的支反力-時間曲線

ABAQUS橡膠墊圈的超彈性及應力松弛行為的仿真教程的圖17
 圖16 兩個分析步的支反力-時間曲線



    文章來源:唯理計算

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