不可壓縮超彈性材料模型的案例
基于軸對(duì)稱模型的超彈性O型圈壓縮仿真 ￥5
基于軸對(duì)稱模型的超彈性O型圈壓縮仿真
1.基于Mooney-Rivlin的超彈性非線性材料模型
2.基于軸對(duì)稱2D模型生成3D模型大變形仿真
3.ANSYS Workbench 2025R1源文件
如何定義橡膠材料的超彈性、粘彈性、本構(gòu)模型參數(shù)
仿真中材料參數(shù)對(duì)仿真結(jié)果的影響很大，有研究橡膠材料的超彈性和粘彈性的朋友可以Q245958758，一起交流和指導(dǎo)。
橡膠材料超彈性本構(gòu)擬合以及密封圈初始壓縮量的考慮 ￥4.9
1、 密封圈設(shè)計(jì)中，首先要考慮的是密封圈的初始壓縮量是否滿足要求，考慮到在密封裝配中，當(dāng)壓緊件較薄弱時(shí)壓緊件也可能發(fā)生變形，因此密封圈的初始壓縮量不能簡(jiǎn)單地依靠理論計(jì)算。
2、 帶密封圈的結(jié)構(gòu)在工作工程中，可能受到各類工況的作用，以整車零部件為例，可能有振動(dòng)、沖擊以及其他工況的作用，在這些載荷作用在密封結(jié)構(gòu)上時(shí)，密封圈的壓縮量會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，在密封圈設(shè)計(jì)前期就需要考慮在極限工況條件下，密封圈的壓縮量是否依舊能夠滿足要求。
3、 考慮到以上兩點(diǎn)因素，本文以簡(jiǎn)單密封結(jié)構(gòu)展示密封圈初始壓縮量在abaqus軟件里的實(shí)現(xiàn)，不影響后續(xù)工況的加載，通過上述計(jì)算可以提取出密封圈的裝配力等結(jié)果。
4、 密封圈材料一般是橡膠，橡膠等不可壓縮材料一般要通過構(gòu)建超彈性本構(gòu)來進(jìn)行處理，本文展示了在abaqus軟件中通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)對(duì)橡膠超彈性本構(gòu)的擬合。
附件為計(jì)算inp模型及操作重點(diǎn)步驟，感興趣的可以下載。
展開 交流-ANSYS橡膠材料超彈性本構(gòu)模型和粘彈性性能仿真和試驗(yàn)
交流-ANSYS橡膠材料超彈性本構(gòu)模型和粘彈性性能仿真和試驗(yàn)
最近在搞橡膠這個(gè)方向，單軸拉伸試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)DMA，研究橡膠次本構(gòu)模型
有研究橡膠超彈性。粘彈性性能的朋友可以聯(lián)系，互相交流學(xué)習(xí)、答疑。
Q254958758
Yeoh超彈性材料模型案例 ￥1
https://mp.weixin.qq.com/s/S18RHWZDqtyVhH6wJMTgmA
Yeoh超彈模型，也稱作縮減多項(xiàng)式（Reduced Polynomial）模型。這也是以人的姓氏命名的超彈模型，用以感謝Oon Hock Yeoh在此橡膠超彈模型上作出的貢獻(xiàn)。
基于VB的ANSYS二次開發(fā)之超彈性材料模型算法
ANSYS現(xiàn)有版本雖包括了金屬、橡膠、Drucker-Prager、混凝土等眾多材料模型，但仍無法滿足工程計(jì)算需要，為了彌補(bǔ)這一不足，ANSYS為用戶提供了開發(fā)材料模型的接口，即UPFs。通過修改、編譯連接相關(guān)用戶子程序，可以得到各種符合用戶需要的材料模型。ANSYS的TB，HYPER命令給用戶提供了各種不可壓縮和可壓縮的超彈性材料模型，比如：Polynomid Form模型、Mooney-Rivlin模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Arruda-Boyce模型、Gent模型、Ogden模型、Hyperfoam模型以及Blatz-Ko模型等。但是對(duì)于需要使用另外模型的用戶，則需要UserHyper用戶子程序來編寫自己的超彈性材料模型。
UserHyper用戶子程序介紹
用戶可以使用如下命令調(diào)用用戶定義的超彈性材料模型：
TB,HYPER,,,,USER
可以使用所有支持超彈性材料的單元。
展開 abaqus超彈性材料子程序UMAT之對(duì)得上與對(duì)不上
超彈性材料是一種常見的材料模型，其主要用于模擬橡膠等材料的超彈性性質(zhì)。具體來說，其是通過一個(gè)彈性勢(shì)能的函數(shù)來描述材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。在實(shí)際中，采用超彈性材料制成的結(jié)構(gòu)通常都伴隨著大變形/大應(yīng)變的響應(yīng)，因此實(shí)際中超彈性材料的彈性勢(shì)能函數(shù)往往以大變形的應(yīng)力度量PK-2應(yīng)力和格林應(yīng)變E表達(dá)，PK-2應(yīng)力可由勢(shì)能函數(shù)對(duì)格林應(yīng)變求微分求得。
彈性勢(shì)能函數(shù)不同，所得到的的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系就不同，常見的超彈性材料本構(gòu)模型包括NEO-HOOKEAN，Mooney-Rivlin等。
在通用有限元軟件abaqus中，對(duì)于超彈性材料本構(gòu)的二次開發(fā)可以采用UHYPER或UMAT進(jìn)行，幫助文檔也提供了幾個(gè)UMAT的具體例子。在verification manual4.1.21中提供了不可壓縮單元的用戶材料子程序和模型：
該模型具體如下所示：
采用同樣模型并用abaqus內(nèi)置的neo-hookean模型與該使用子程序的模型進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果一致。
然而，如果稍加修改其邊界條件，將其邊界條件改為一端固定一端拉伸：
則兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果如下：
內(nèi)置NEO-HOOKEAN模型與umat在該邊界條件下計(jì)算結(jié)果并不一致，而內(nèi)置模型明顯相對(duì)剛度更大。
具體原因，目前還沒有找到，以下是該模型的鏈接，歡迎各位測(cè)試指正。
鏈接: https://pan.baidu.com/s/1Sd53tGjQTHjuPSU_FxXv8Q 提取碼: r3f4
【完】
展開 材料的"模量"不僅僅是彈性模量，還有剪切模量、體積模量、壓縮模量etc
它是材料的基本物理特性參數(shù)之一，與楊氏(壓縮、拉伸)彈性模量E、泊桑比ν并列為材料的三項(xiàng)基本物理特性參數(shù)，在材料力學(xué)、彈性力學(xué)中有廣泛的應(yīng)用。
其定義為：G=τ/γ， 其中G(Mpa)為切變彈性模量；τ為剪切應(yīng)力(MPa)；γ為剪切應(yīng)變(弧度)。
(4) 體積模量K(Bulk Modulus)：
體積模量可描述均質(zhì)各向同性固體的彈性，可表示為單位面積的力，表示不可壓縮性。公式如下K=E/(3×(1-2*v))，其中E為彈性模量，v為泊松比。具體可參考大學(xué)里的任一本彈性力學(xué)書。
性質(zhì)：物體在p0的壓力下體積為V0，若壓力增加(p0→p0+dP)，則體積減小為(V0-dV)。則被稱為該物體的體積模量(modulus of volume elasticity)。如在彈性范圍內(nèi)，則專稱為體積彈性模量。體積模量是一個(gè)比較穩(wěn)定的材料常數(shù)。因?yàn)樵诟飨蚓鶋合?em>材料的體積總是變小的，故K值永為正值，單位MPa。體積模量的倒數(shù)稱為體積柔量。體積模量和拉伸模量、泊松比之間有關(guān)系：E=3K(1-2μ)。
(5) 壓縮模量(Compression Modulus)：
物體在受三軸壓縮時(shí)壓應(yīng)力與壓縮應(yīng)變的比值。實(shí)驗(yàn)上可由應(yīng)力-應(yīng)變曲線起始段的斜率確定。徑向同性材料的壓縮模量值常與其楊氏模量值近似相等。
土的壓縮模量指在側(cè)限條件下土的垂直向應(yīng)力與應(yīng)變之比，是通過室內(nèi)試驗(yàn)得到的，是判斷土的壓縮性和計(jì)算地基壓縮變形量的重要指標(biāo)之一。壓縮模量越大，土越堅(jiān)硬。
(6) 儲(chǔ)能模量Es：
儲(chǔ)能模量Es實(shí)質(zhì)為楊氏模量，表述材料存儲(chǔ)彈性變形能量的能力。儲(chǔ)能模量表征的是材料變形后回彈的指標(biāo)。儲(chǔ)能模量E\\'是指粘彈性材料在交變應(yīng)力作用下一個(gè)周期內(nèi)儲(chǔ)存能量的能力，通常指彈性。
展開 Simright 2018.8.17更新:支持超彈性材料（HyperElastic）本構(gòu)模型！
https://www.simright.com/zh/blogs/simright-2018-8-17-chaodan/
更新語錄橡膠材料作為一種高分子超彈性材料廣泛應(yīng)用于承載結(jié)構(gòu)軸承、密封件、吸收震動(dòng)的襯墊、連接器和輪胎等，已成為現(xiàn)代工業(yè)的重要原材料。Simulator及Toptimizer本周新增功能，支持使用有限元中常用的Mooney-Rivlin模型模擬橡膠材料力學(xué)行為。本次更新共有4項(xiàng)改進(jìn)和修復(fù)，歡迎大家體驗(yàn)，多提建議！希望大家支持云端CAE，支持Simright！
2018.8.11-2018.8.17
Simulator (在線仿真計(jì)算軟件)
1.新增：材料庫支持超彈性材料
材料庫中新增TPU材料，自定義支持超彈性材料本構(gòu)模型。
2.改進(jìn)：改進(jìn)材料分類改進(jìn)材料庫中超彈性材料（HyperElatsic）分類。
Toptimizer(在線拓?fù)鋬?yōu)化軟件）
1.新增：材料庫支持超彈性材料
材料庫中新增TPU材料，自定義支持超彈性材料本構(gòu)模型。
2.改進(jìn)：改進(jìn)材料分類改進(jìn)材料庫中超彈性材料（HyperElatsic）分類。
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展開 橡膠護(hù)套密封的非線性分析 ￥15
這個(gè)橡膠護(hù)套密封的例子展示了幾何非線性(大應(yīng)變和大變形)、非線性材料行為(橡膠)和變化狀態(tài)非線性(接觸)。這個(gè)例子的目的是展示surface-projection-based接觸方法的優(yōu)點(diǎn)和確定位移行為的橡膠護(hù)套密封，壓力的結(jié)果和接觸點(diǎn)的位置的外表面和內(nèi)表面軸運(yùn)動(dòng)期間啟動(dòng)。
Surface-projection-based 接觸可以通過為接觸區(qū)域設(shè)置KEYOPT(4) = 3來定義基于表面投影的接觸。
此選項(xiàng)強(qiáng)制接觸約束在接觸和目標(biāo)表面的重疊區(qū)域，而不是在單個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)或高斯點(diǎn)上。在重疊區(qū)域上平均計(jì)算接觸穿透/間隙。
2.1. 問題描述
在此分析中考慮了半對(duì)稱橡膠護(hù)套密封。定義了三個(gè)接觸對(duì)。一種是橡膠套與圓柱軸之間的剛?cè)峤佑|，其余兩種是橡膠護(hù)套內(nèi)外表面的自接觸副。
該問題通過三個(gè)加載步驟得到解決：
1. 圓柱和橡膠護(hù)套間的初始接觸
2. 圓柱的垂直位移(橡膠護(hù)套內(nèi)軸向壓縮)
3. 圓柱的轉(zhuǎn)動(dòng)(橡膠護(hù)套彎曲)
3.1. 材料模型
橡膠套由橡膠材料制成，在大應(yīng)變下表現(xiàn)出彈性響應(yīng)。因此，對(duì)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(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只建模了橡膠護(hù)套的一半。對(duì)于橡膠護(hù)套，采用超彈性材料模型。軸被設(shè)置為剛體。
3.2.1. 橡膠護(hù)套建模
低階六面體單元(SOLID185)用于橡膠護(hù)套，如下圖所示。
如下圖所示，橡膠護(hù)套的15個(gè)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(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如下圖所示
最終的網(wǎng)格模型如下圖所示。它總共有2641個(gè)單元。
展開 案例26-橡膠防塵套的非線性分析
材料屬性：
材料模型使用Neo-Hookean模型，不可壓縮超彈性材料模型，多用于橡膠材料。摩擦系數(shù)0.2。
邊界條件和加載：
對(duì)稱平面約束限制面外平動(dòng)，橡膠防塵套底部限制軸向和徑向方向。
通過不同的加載步以位移和旋轉(zhuǎn)的形式施加載荷。
加載步1：
在圓筒中心軸端部的基節(jié)點(diǎn)（導(dǎo)向節(jié)點(diǎn)）在所有方向都約束住
加載步2：
當(dāng)軸向下移動(dòng)，防塵套受到壓縮，軸豎直方向的運(yùn)動(dòng)由基節(jié)點(diǎn)控制。
加載步3：
軸由基點(diǎn)給定相對(duì)于z軸的一定量的轉(zhuǎn)動(dòng)
分析和結(jié)果控制：
在三個(gè)加載步中使用非線性靜力學(xué)分析，打開大變形效應(yīng)。
結(jié)果和討論：
不同接觸偵測(cè)方法的累積迭代次數(shù)比較：基于曲面投影的接觸算法(KEYOPT(4)=3)相對(duì)于另外兩個(gè)方法產(chǎn)生更光滑的接觸力，對(duì)接觸剛度的大小更不敏感。當(dāng)FKN取1到10時(shí)，基于曲面投影的接觸算法所用的迭代次數(shù)更少，F(xiàn)KN=1對(duì)于非線性分析是最佳值。通常基于曲面投影的接觸算法所用的計(jì)算代價(jià)更大，但是由于迭代次數(shù)減小，所以綜合性能更好一點(diǎn)。
下圖顯示了在最大軸角度下防塵套的位移位置。
防塵套在最大軸角時(shí)的最大應(yīng)力區(qū)域如下圖所示，最大應(yīng)力數(shù)值雖然較小，但考慮材料在一定循環(huán)下的失效效應(yīng)，這些區(qū)域在疲勞載荷下最容易失效。
下圖顯示了在不同軸角度下橡膠護(hù)套中不同接觸點(diǎn)的總應(yīng)變。第一次接觸發(fā)生在橡膠套的外編織物之間。之后，在第一接觸區(qū)域中觀察到拉伸，并且第二接觸發(fā)生在橡膠套的內(nèi)編織之間。最后，第三次接觸發(fā)生在橡膠護(hù)套的內(nèi)編織物和軸之間。
展開 
案例24-充氣滾動(dòng)輪胎的靜水壓流體分析
主要用到了下列特點(diǎn)和能力：
• 使用具有負(fù)體積和正體積的靜水壓流體單元
• 氣體材料模型
• 加固
一個(gè)充氣滾動(dòng)輪胎的瞬態(tài)分析將通過多個(gè)載荷步展示輪胎的變形。
簡(jiǎn)介
對(duì)于包含流體-固體之間相互作用的耦合問題，靜水壓流體單元很適合計(jì)算流體體積和壓力。通過對(duì)靜水壓流體的建模，我們可以研究當(dāng)其包含在一個(gè)固體當(dāng)中對(duì)固體施加多種載荷時(shí)流體行為的變化。
這樣的分析在本案例的問題中很有用，能夠檢查在一個(gè)輪胎充氣和滾動(dòng)過程中其內(nèi)部的空氣壓力、密度和體積的改變。另一個(gè)案例應(yīng)用是研究活塞在壓力缸移動(dòng)過程中內(nèi)部氣體體積和壓力的改變。
汽車行業(yè)致力于改進(jìn)氣體燃燒效率和減小能量損耗，而兩者均受到車輛輪胎的滾動(dòng)阻力影響。為了實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)目標(biāo)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)滾動(dòng)變形輪胎內(nèi)部的氣體變化情況是十分必要的。
問題描述
一個(gè)三維輪胎模型充氣并在道路表面受壓，然后滾動(dòng)過路面的一個(gè)隆起處。輪胎由超彈性材料和加固單元建模，內(nèi)部的空氣由靜水壓流體單元建模，當(dāng)載荷施加到輪胎時(shí)，監(jiān)控其壓力、體積和密度。
輪胎充氣到36psi，1ton壓力施加在車軸上來模擬車輛在該車軸上作用的質(zhì)量部分。
分析分為五個(gè)載荷步：
1. 施加重力載荷并設(shè)置空氣的參考溫度
2. 將輪胎充氣
3. 將輪胎移動(dòng)到路面上
4. 移除位移和壓力邊界條件
5. 施加一個(gè)加速度邊界條件使輪胎滾過隆起處
載荷步1-4靜態(tài)加載，載荷步5為瞬態(tài)分析，來研究加載效應(yīng)對(duì)豎直加速度的影響。
建模：
為模擬實(shí)際情況，輪胎尺寸與P215/65R16/minivan的一個(gè)輪胎大致相同。輪胎使用不可壓縮超彈性材料模型，在實(shí)體單元內(nèi)部有加強(qiáng)單元，用于模擬輪胎結(jié)構(gòu)中的鋼加固。
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