橡膠建模的案例
ABAQUS-橡膠材料建模
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。
展開 基于ABAQUS超彈性材料橡膠襯套的剛度計算 附基于Abaqus的橡膠和粘彈性建模下載
圖5、相互作用設置和網格屬性設置
圖6、作業提交的相關設置
八、結果的可視化處理
計算完成后，可以通過ABAQUS軟件自帶的可視化模塊查看橡膠襯套的各類云圖計算結果：
1、位移加載云圖：對于本實例的仿真中，可以通過查看位移加載云圖得到橡膠在加載過程中形狀的變化，并可以直接讀出我們的位移加載。
圖7、位移加載云圖
2、應變云圖：通過調整輸出的場變量，我們還可以查看在加載過程中橡膠襯套對數應變的數值，并對其疲勞壽命做出相應的預測。
圖8、應變云圖
3、剛度曲線：借助ABAQUS軟件的歷程輸出數據，我們可以做出整個加載過程中的位移與作用力的關系曲線，即得到了該硬度下，此橡膠襯套的靜剛度曲線。
圖9、橡膠襯套的靜剛度仿真曲線
如果將我們的載荷換成如圖10的正弦加載曲線，我們還可以得到該硬度下，固定頻率的動剛度的遲滯曲線，進而得出其動剛度。
圖10、動態加載曲線、結果可視化云圖與遲滯曲線
下載地址：基于Abaqus的橡膠和粘彈性建模
展開 ABAQUS案例 | O型橡膠密封環受壓
本案例是O型密封圈受流體壓力作用
問題描述
受流體壓力作用；結構形態分布如下圖所示，密封圈以橡膠建模，其余以解析剛體建模。
材料信息
Rubber；Mooney-Rivlin；c10：3.6MPa；C01：3.87MPa；D：0.001；
工作目錄
選擇
File > Set Work Directory
設定工作目錄
幾何模組
自行建模并分割橡膠圈如下，注意建參考點“RP”
屬性模組
只給橡膠賦予材料
裝配模組
分析步模組
分析程序會選擇使用
Static, General
。共包含三個分析步，
第一個分析步：求解干涉；第二個分析步：外殼上移；第三個分析步：施加壓力。
開啟幾何非線性。增量類型設置為Fixed，增量大小為0.01。
展開 Digimat 2018.1新功能亮點
關于e-Xstream
e-Xstream工程公司工程（MSC軟件公司子公司）是一家軟件和工程服務公司，專注于復雜的多相復合材料和結構的高級多尺度建模。
e-Xstream為其客戶提供了一套完整的最佳建模解決方案，以滿足他們的特定需求并整合其現有的設計流程；從原材料的成分（例如工程塑料，橡膠，CFRP，硬質金屬，納米復合材料，夾層板等）到加工工藝（例如注塑，增材制造）以及在最終產品中的應用。
e-Xstream公司開發了Digimat這一獨特的非線性多尺度材料和結構建模平臺，可以解決復合材料供應商和最終用戶在設計和制造創新型高性能產品時的問題，同時最大限度地減少重量，成本和上市時間。
歸功于對復合材料局部力學行為的精確描述，并且基于我們領先的技術所的提供的仿真設計工具，讓用戶對其復合材料產品充滿信心。Digimat可以順利整合在當前的FEA軟件仿真過程中，彌合制造工藝過程和結構分析之間的差距。
Digimat受到主流材料供應商，行業Tier1和OEM的廣泛贊譽，他們可以通過優化設計為復合材料產品帶來日常創新。Digimat它不僅組織起整個復合材料的市場，并且還充當著所有價值鏈的參與者之間的紐帶。
展開 
Abaqus插件——橡膠隔震支座 ￥1
*************************注意事項******************************
1、插件使用過程中，如有任何問題請發郵件至shenz1hao@126.com
2、插件僅做學習交流使用，尊重原創者，切勿以營利目的傳播
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*************************插件功能******************************
1、實現橡膠支座和鉛芯橡膠支座快速建模（橡膠支座建立輸入鉛芯直徑為0即可）
2、實現橡膠支座和鉛芯橡膠支座內部約束一鍵建立
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********************插件安裝及使用*******************************
1、電腦路徑下輸入 %homepath%\abaqus_plugins并回車
2、將LRB_builder_Circle文件夾解壓至當前目錄下
3、打開abaqus，菜單欄中點擊plug-ins，里面找出LRB_bulider_Circle并點擊
4、輸入支座對應參數
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展開 橡膠護套密封的非線性分析 ￥15
橡膠護套密封的非線性分析
1.1. 介紹
橡膠護套密封在許多工業應用中用于保護兩個閥體之間的柔性接頭。在汽車工業中，橡膠護套密封覆蓋在驅動軸上的恒速接頭，以保護它們免受外部元素(灰塵、濕度、泥漿等)的影響。這些橡膠護套的設計用于調整關節的最大可能擺動角度，并補償軸長度的變化。
這個橡膠護套密封的例子展示了幾何非線性(大應變和大變形)、非線性材料行為(橡膠)和變化狀態非線性(接觸)。這個例子的目的是展示surface-projection-based接觸方法的優點和確定位移行為的橡膠護套密封，壓力的結果和接觸點的位置的外表面和內表面軸運動期間啟動。
Surface-projection-based 接觸可以通過為接觸區域設置KEYOPT(4) = 3來定義基于表面投影的接觸。
此選項強制接觸約束在接觸和目標表面的重疊區域，而不是在單個接觸節點或高斯點上。在重疊區域上平均計算接觸穿透/間隙。
2.1. 問題描述
在此分析中考慮了半對稱橡膠護套密封。定義了三個接觸對。一種是橡膠套與圓柱軸之間的剛柔接觸，其余兩種是橡膠護套內外表面的自接觸副。
該問題通過三個加載步驟得到解決：
1. 圓柱和橡膠護套間的初始接觸
2. 圓柱的垂直位移(橡膠護套內軸向壓縮)
3. 圓柱的轉動(橡膠護套彎曲)
3.1. 材料模型
橡膠套由橡膠材料制成，在大應變下表現出彈性響應。因此，對于在下面的表格和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
利用結構的對稱性，只建模了橡膠護套的一半。對于橡膠護套，采用超彈性材料模型。軸被設置為剛體。
3.2.1.
展開 利用超彈性實驗數據進行平面密封模擬（Mooney-Rivlin 超彈性模型） ￥3
密封件是一條長條橡膠，將被建模為平面應變問題。進行了一系列材料測試，包括單軸拉伸試驗、雙軸拉伸試驗和剪切試驗。
經過一系列數據擬合試驗表明，對于該材料試驗數據，雙參數“Mooney-Rivlin超彈性模型”擬合數據的效果優于其他模型，決定采用雙參數Mooney-Rivlin模型。
本教程中使用的單位制是“美國習慣用單位 (in-lbm-lbf-s)”。
步驟 1：概述
汽車工業車門上的密封件。密封件是一條長條橡膠，將被建模為平面應變問題。進行了一系列材料測試，包括單軸拉伸試驗、雙軸拉伸試驗和剪切試驗。
經過一系列數據擬合試驗表明，對于該材料試驗數據，雙參數“Mooney-Rivlin超彈性模型”擬合數據的效果優于其他模型，決定采用雙參數Mooney-Rivlin模型。
第 2 步：設置
在 ANSYS Workbench 主菜單上拖放靜態結構分析：
步驟3：工程數據（材料模型）
本教程最重要的部分是創建和定義材料數據。
展開 案例26-橡膠防塵套的非線性分析
橡膠防塵套的分析包含了幾何、材料和變化狀態（接觸）的非線性。
主要用到了下列特點和能力：
• 三維面-面接觸單元技術
• 基于曲面投影接觸
• 幾何非線性
• Neo-Hookean 超彈性材料
簡介
橡膠防塵套在很多工業應用中用于保護兩個物體的柔性連接點。在汽車行業中，橡膠防塵套覆蓋驅動軸上的等速接頭，以保護它們免受外界因素（灰塵、濕氣和泥漿等）的影響。這些橡膠防塵套設計用于適應接頭的最大可能擺角，并補償軸長度的變化。
基于曲面投影的基礎由接觸單元的關鍵字KEYOPT(4)=3定義，該選項賦予接觸和目標表面的重疊區域接觸約束，而不是單一接觸節點或高斯點，接觸穿透/間隙在重疊區域上計算取平均值。
問題描述
分析考慮橡膠防塵套的一半對稱結構，定義了三個接觸對：一是圓筒軸和橡膠之間的剛柔接觸，另外兩個是防塵套內外表面的自身接觸對。
三維模型如下：
問題分三步加載：
1. 圓筒和防塵套的初始干涉
2. 圓筒的豎直位移（橡膠防塵套的軸向壓縮）
3. 圓筒的轉動（橡膠防塵套的彎曲）
建模：
由于結構的對稱性，只對橡膠套的一半進行了建模。橡膠套采用超彈性材料模型。軸被視為剛體。
建模橡膠防塵套
三維模型是通過使用橡膠防塵套密封輪廓生成的。SOLID185元素用于模擬橡膠防塵套的實際三維結構，如下圖所示。該模型有3387個單元。
建模接觸對
定義了三個接觸對，以模擬軸期間橡膠護套中發生的接觸移動：
• 剛性圓柱軸和橡膠套內表面之間的剛性-柔性接觸。
展開 Siemens PLM Software工程車輛動力學特性高級培訓
日程安排：
08:30-9:00 簽到
09:00-9:45 總體介紹
LMS Virtual.Lab Motion介紹
車輛類型介紹
仿真建模介紹
09:45-12:00 建筑、礦用、物料車輛
礦用車輛
液壓支撐仿真建模
相關性測試定義
多體系統相關性
輪式裝載機
重載自動變速箱性能分析
液壓系統性能分析
液壓傳動系統建模仿真分析，能量管理
其它車輛
伸縮臂叉車：用戶自定義力
隧道掘進機：用戶自定義力
叉車裝卸車：“divided tire”和滾動穩定性
12:00-13:00 午餐
13:00-14:30 軍用車輛
履帶車輛
離散和超單元履帶建模仿真
輪式車輛
帶有效載荷激勵和控制子系統的車輛動力學分析
14:30-16:00 農用車輛
拖拉機
基于complex tire的大輪胎建模仿真
高級土壤的建模仿真
非線性輪胎的建模仿真
橡膠履帶拖拉機
橡膠履帶的建模仿真
相關性測試定義
多體系統模型相關性
設計研究
其它農用車輛
噴霧（灑水）車：柔性，耐久，控制
16:00-17:00 其它工程車輛
軌道車輛：起重機，過山車，傳送系統
小型工程車：全地形車，機動雪撬
遠洋船舶：大型軸承建模仿真
航空器：起落架擺振
17:00-17:30 總結和提問
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展開 基于SOLIDWORKS Simulation的O型橡膠密封圈有限元模擬
O型橡膠密封圈因為價格便宜，制造簡單，功能可靠，并且安裝要求簡單，O形環是在機械設計中最常見的密封件。有限元模擬手段可以對O型橡膠密封圈的工況響應做出正確的描述，為設計工程師針對O型橡膠密封圈的選擇與密封性能是否達標提供理論依據。
一、問題描述
如圖1所示，部件的剖面為部件裝配的最終狀態，支柱零件的高度與黑色樹脂件的自然高度一致，螺栓使鈑金板與支柱零件連接，鈑金板零件的卡位壓緊黑色樹脂件，樹脂件壓緊O型橡膠密封圈。關注問題：（1）O型橡膠密封圈壓縮狀態的接觸壓力；（2）鈑金板在橡膠圈的壓縮狀態，受力的形變量。
圖1
二、模型簡化處理
有限元分析模擬就是將實際的工況問題用適當的模型描述。幾何體模型與分析軟件設置屬性、邊界條件一起用有限的單元網格來離散，構建出一個數值計算模型。從實際分析的問題到一個合適、準確的數值計算模型，就是模型的前處理。
圖2
因為涉及到橡膠材料的接觸變形，這是材料非線性、接觸、大形變的非線性分析類型問題。其次螺母的鎖緊過程是緩慢的，可以定性為靜態分析問題。如果直接運用靜態非線性那么計算規模會很大。根據關注問題需要，可以設置兩個算例，一個靜態非線性分析得到密封圈接觸壓力、反作用力，如圖3所示。一個靜態線性算例分析鈑金的變形。根據分析關注信息與分析類型判斷選擇最終模型簡化如圖4所示。
圖3
圖4
三、分析設定
1.靜態非線性分析
因為材料屬性，結構的特點，工況狀態360°圓周對稱。
展開 基于ABAQUS二次開發的橡膠-金屬襯套仿真技術研究
周煒等[2]利用剛度疊加原理和參數有限元分析，建立了橡膠襯套幾何參數與剛度的關系式；針對剛度匹配的設計要求，通過設定不同的目標函數，得到了橡膠襯套結構的最優解。宋穎等[3]基于ABAQUS二次開發功能，開發了圓柱形橡膠堆的插件程序，實現了圓形橡膠堆參數化建模和后處理的自動化。
綜上所述，國內眾多學者已對橡膠金屬襯套件的參數化建模和快速仿真進行了研究，并且利用現有的有限元軟件進行了二次開發，提高了開發效率。但這些研究都無法實現輸入參數后快速得到結果的目的。鑒于此，本文基于ABAQUS-Python提出了一種橡膠-金屬襯套件快速仿真分析技術。該方法構建了獨立的交互界面，無需啟動ABAQUS有限元軟件，用戶只需輸入產品結構參數，即可快速得到靜剛度值并輸出應力、應變等結果云圖。本文的研究成果為提高橡膠-金屬襯套件開發效率打下了堅實的基礎，具有操作簡單、快速輸出結果等優點。
1 橡膠-金屬襯套結構參數化建模
1.1 尺寸結構參數提取
將橡膠-金屬襯套結構進行參數化，包括襯套的尺寸、形狀等參數，如圖1所示。具體參數詳見表1。
圖1 橡膠-金屬襯套結構和尺寸
表1 橡膠-金屬件尺寸和材料參數
芯軸的外側、外套的內外側通常為圓柱形或旋轉面。芯軸和外套通常采用金屬或塑料制成，剛度明顯高于橡膠。為了簡化分析，提高效率，在前處理過程中省略芯軸和外套，并將橡膠內表面耦合到一個點。此外，為了實現襯套結構中外套的縮頸過程，將橡膠外表面定義為柱面坐標系。
1.2 基于ABAQUS-Python構建程序
1.2.1 參數化建模
本文研究的橡膠-金屬襯套結構為回轉體結構，上下對稱，因此只需繪制1/4結構，并通過鏡像的方法得到完整模型。圖2展示了繪制的1/4結構。
展開 
Ls_dyna橡膠大變形模擬方法總結及案例 ￥15
圖3 超彈性橡膠，n=0
圖4 超彈性橡膠，n>0
應變能函數定義如下：
圖5 應變能函數
（2）*MAT_SIMPLIFIED_RUBBER/FOAM (*MAT_181)
該材料模型也可用于模擬橡膠變形行為。用戶沒有指定任何橡膠參數，如a、b或Cnn。相反，提供體積模量和試驗數據。該模型是為不可壓縮聚合物開發的，如果泊松比小于0.495，則該材料模型是一個很好的選擇。注意，曲線的拉伸和壓縮部分依一個和另一個，因此正確的測試數據對于使模型收斂至關重要。
圖6 *MAT_181
（3）*MAT_MOONEY_RIVLIN_RUBBER (*MAT_027)
該模型因其簡單而廣受歡迎，但在某些情況下可能會遇到不穩定和/或其他收斂問題，尤其是對于大變形存在收斂問題。
Mooney Rivlin模型是一個雙參數橡膠模型，見圖7。由于只有兩個參數（a和b）用于直接描述材料響應，因此響應曲線必須非?！跋?em>橡膠”，見圖1。如果由于某些原因或者由于其他原因，材料響應與一般橡膠響應曲線太不一樣，則此模型可能不是最佳選擇。還可以選擇使用sgl、sw、st和lcid將參數a和b擬合到測試曲線。Mooney Rivlin橡膠可以使用*Mat_077建模。
展開 【JY】JYLRB插件：一鍵生成ABAQUS橡膠支座模型 ￥480
相關的理論視頻課程：【JY】橡膠支座精細化模擬分析案例與教學
【注意】：該插件可自動生產有限元模型，包括 模型、相互作用、網格劃分、橡膠本構(多種可選)、荷載 等，可直接修改荷載條件進行分析。
【常見問題】水平滯回曲線可非常好好擬合試驗支座曲線，豎向剛度(由于支座產品不同)需根據試驗確定體積模量進行調整分析。
【版本修訂】目前可適用于6.14~最新版本，歡迎下載使用！
【導讀】
為了方便大家在分析橡膠支座時的建模，筆者基于<a href="/major/abaqus">ABAQUS平臺開發了一種一鍵生成橡膠支座插件 (JYLRB)，該插件僅需在操作界面設置支座直徑、鉛芯直徑、封板厚度、橡膠厚度、鋼板厚度、橡膠層數、鋼材屈服應力、面壓、所選擇的橡膠本構模型以及剪切模量即可生成橡膠支座模型。內容包括部件的建立及裝配、各部件本構模型的設置、分析步的設置、相互作用的設置、邊界條件及荷載的施加、網格劃分、作業生成。該插件省去了繁瑣的建模步驟，以及本構模型的計算，使用者僅需根據自身需要在模型上微調，可用于隔震支座及結構的精細化分析。
【程序可解決的問題】
在使用ABAQUS平臺對橡膠支座進行分析，動自己的小手進行建模時，由于橡膠與鋼板的接觸面眾多，在設置相互作用時過程繁瑣且很容易出錯，消耗去大家大量的時間。本著能偷懶就偷懶的原則，筆者開發了這款插件。并且在進行分析時，難點在于橡膠支座超彈性材料本構的設置，橡膠材料的力學性能和金屬材料的力學性能有很大區別，如彈性，大變形，不可壓縮等。超彈性材料都有顯著的特征：
（1）能承受大彈性（可恢復）變形，應變可達100-450%；
（2）由于材料分子鏈的拉直引起變形, 所以在外加應力作用下, 體積變化很小。
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