有限元軟件msc．marc／mentat在橡膠材料分析中的應(yīng)用

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1、有限元軟件MSC．Marc／Mentat在橡膠材料分析中的應(yīng)用?32?世界橡膠工業(yè)2005有限元軟件MSC.Marc/Mentat在橡膠材料分析中的應(yīng)用張振秀沈梅辛振祥(青島科技大學(xué),橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東青島266042)摘要:橡膠是一種特殊的材料,要實(shí)施橡膠制品的有限元分析,就要能綜合處理幾何非線性,材料非線性以及邊界非線性問題.MSC.Marc擁有特殊的單元,材料和摩擦模型,以自動(dòng)接觸分析程序來分析橡膠制品.橡膠制品的非線性有限元分析已經(jīng)成為設(shè)計(jì)過程的一個(gè)組成部分.關(guān)鍵詞:非線性;MSC.Marc/Mentat;橡

2、膠;超彈性模型;復(fù)合材料;粘彈性;有限元分析中圖分類號(hào):TQ330.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671—8232(2oo5)12—0032—04橡膠是一種獨(dú)特的材料,被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè),因?yàn)樗兄己玫淖枘岷湍芰课仗匦?柔韌性,回彈性,使用壽命長,能夠密封水,熱和壓力,易成型,具有不同的剛度等.正確地對(duì)橡膠制品進(jìn)行分析,需要特殊的材料模型和不同于金屬制品的有限元分析工具.橡膠的獨(dú)特性能體現(xiàn)在:?非常大的應(yīng)變(可達(dá)到百分之幾百);?材料的應(yīng)力應(yīng)變呈高度的非線性關(guān)系;?材料近似或完全不可壓縮;?粘彈性,很強(qiáng)的時(shí)間和溫度依賴性.l橡膠

3、制品的模擬分析非線性有限元軟件MSC.Marc擁有特殊的單元,材料和摩擦模型,可自動(dòng)接觸分析程序來分析橡膠制品.有效且真實(shí)地對(duì)設(shè)計(jì)的橡膠制品進(jìn)行模擬分析.1.1材料的非線性行為1.1.1超彈性模型在橡膠材料的有限元分析中,材料模型用應(yīng)變能函數(shù)表示,通常被稱為超彈性模型.應(yīng)變能函數(shù)用Green應(yīng)變不變量來表示.橡膠材料在較短時(shí)問內(nèi)及恒定的環(huán)境溫度下,通常被處理為各向同性的不可壓縮材料.MSC.Marc提高了10余種不同的描述不可壓縮彈性體的作者簡歷:張振秀(1975一),男,現(xiàn)為青島科技大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院材料加工工程專業(yè)在讀碩士研

4、究生,主要從事高分子制品及模具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及分析方面的工作應(yīng)變能函數(shù),包括最簡單的Neo—Hookean函數(shù),二項(xiàng)Mooney—Rivlin函數(shù),三項(xiàng)Mooney—Rivlin函數(shù),Signiorini函數(shù),三次不變量函數(shù),三次不變形函數(shù)Yeoh函數(shù),Gent模型,廣義Ogden應(yīng)變能函數(shù)等.至于選用何種材料模型,Gent和Yeoh均指出,高次應(yīng)變能函數(shù)的應(yīng)用價(jià)值很小,因?yàn)轭愊鹉z材料的重現(xiàn)性是不夠的,不允許對(duì)大量的參數(shù)進(jìn)行精確估計(jì).因此,附加項(xiàng)只是用來修正實(shí)驗(yàn)誤差.由于簡單和實(shí)用,在FEA中應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變能函數(shù),應(yīng)該首選Moon

5、ey.Rivlin模型,盡管眾所周知,但它并不精確.Neo—Hookean模型,在單軸拉伸中應(yīng)變直到40%,在簡單剪切中應(yīng)變直到90%時(shí),都有很好的相關(guān)性;雙參數(shù)Mooney—Rivlin模型與拉伸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在100%應(yīng)變范圍內(nèi)的相關(guān)性都很好,但描述壓縮變形時(shí)卻很不夠,它也無法解釋大形變時(shí)材料的硬化行為;三項(xiàng)或多項(xiàng)Moonev.Rivlini模型可描述非常數(shù)剪切模量.然而,引入高次項(xiàng)后需小心計(jì)算,因其可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定能函數(shù)的產(chǎn)生,得到超出試驗(yàn)范圍的非物理結(jié)果.Yeoh模型與其他高次模型的區(qū)別在于,它只依賴于第一個(gè)應(yīng)變常數(shù),經(jīng)論證,當(dāng)只用

6、來自單軸拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)時(shí),此模型適合各種不同的變形方式,這就減少了材料試驗(yàn)的需求條件.在低應(yīng)變條件下應(yīng)用此模型時(shí)需特別細(xì)心,在簡單拉伸中,Ogden模型可在應(yīng)變直到700%時(shí)還與試驗(yàn)數(shù)據(jù)很相符.它還適應(yīng)非常數(shù)剪切模量和輕微壓縮的材料行為.它已經(jīng)被第32卷第12期張振秀等.有限元軟件MSC.Marc/Mentat在橡膠材料分析中的應(yīng)用?33?成功地應(yīng)用于O形圈,密封圈和其他工業(yè)產(chǎn)品的分析.1.1.2溫度效應(yīng)MSC.Marc能夠處理超彈性材料的熱效應(yīng).超彈性材料系數(shù)隨溫度變化的特性,可通過定義材料Mooney常數(shù)隨溫度的變化來描述.溫度效

7、應(yīng)在橡膠分析中非常重要,它會(huì)影響橡膠的各個(gè)方面,包括粘彈性,滯后效應(yīng)和破壞.1.1.3復(fù)合材料MSC.Marc軟件具有極強(qiáng)的復(fù)合材料模擬能力,能夠描述層狀復(fù)合材料,加強(qiáng)筋復(fù)合材料和實(shí)體復(fù)合材料.空氣彈簧,輪胎是在基體材料(橡膠)中嵌入不同加強(qiáng)筋層(如鋼筋,帶束層)以增強(qiáng)材料強(qiáng)度的一類復(fù)合材料結(jié)構(gòu).MSC.Marc軟件的加強(qiáng)筋復(fù)合材料模型,為這類復(fù)合材料提供了有效方法.與薄壁層狀復(fù)合材料相對(duì)應(yīng)的是厚壁或塊狀復(fù)合材料.由金屬和橡膠組成的支承墊,纖維加強(qiáng)層的輪胎,用于成型的金屬橡膠復(fù)合材料板材等都屬于這一類型.用Marc中提供的可定義分層的

8、rebar單元來做簾線.橡膠復(fù)合材料的分析,由于其計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)的大大節(jié)省,受到越來越多的人的青睞.1.2由試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過曲線擬和自動(dòng)得到材料參數(shù)正確的模擬和設(shè)計(jì)橡膠制品,除了選擇一個(gè)合適的橡膠材料模型外,材料參數(shù)的確定也至關(guān)