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ABAQUS中橡胶大变形问题的一些解决办法

作者:管理员    发布于:2015-01-04 02:38:45    文字:【】【】【

密封橡胶的数值仿真是一类典型的非线性问题,牵涉到材料非线性(超弹性)、边界非线性(接触)和几何非线性(大变形)问题的集合,如果设置不当,极容易导致求解困难。特别是在密封橡胶的变形复杂,比如和多个不规则边界接触、变形很大等情况,需要更谨慎的设置相关参数,以求得到合适的解答。

模型的适当简化

对薄板问题可忽略厚度方向的应力,作为平面应力(plane stress)问题;对长柱体可忽略第三方向的应变,作为平面应变(plane strain)问题;O型圈等可作为轴对称问题。平面应力和平面应变在建立part时需选中2D Planar,轴对称问题需选中Axisymmetric;在选择单元时也应注意三者的区别(CPS* ,CPE*, CAX* )。 

求解器的选择

因为问题复杂,使用Standard求解容易不收敛,在精度允许的情况下,可选用Explicit求解器。只是多数时候Explicit求解时间较长。应当知道的是,对于橡胶这种典型的不可压缩材料,使用杂交单元(含字母H)是恰当的,但Explicit中没有杂交单元(庄茁书中的例子选用减缩单元)。并且在Explicit中,橡胶材料默认泊松比为0.475

材料模型的选择

我只用过其中三个,Neo-hookean 简单易用,就一个参数。对于初学者和简单的模拟比较方便。但是当变形增加到一定范围就不能得到准确的结果了,因为它的参数是来自小变形部分的应力-应变关系。Mooney-Rivlin 是比较常用的本构模型。对于没有加碳黑的橡胶来说,这模型能得到比较准确的结果。但是用它来模拟加了碳黑的橡胶就不太精确了。Yeoh 是用来模拟加碳黑后的橡胶,三个参数都比较容易得到。 可是这个模型在小变形 extension ratio<1.5时结果不准确。

另,在橡胶材料模型中引入少量的可压缩性能够减少体积自锁。

分析步的设置

多设置一个小载荷的分析步,让接触关系平稳的建立起来以后,在下一个分析步中施加更大的真实的载荷,可以减小收敛的困难。 

接触的设置

把刚体面或刚度较大的面作为主面,橡胶一般作为从面。刚性面上的尖角会引起收敛问题,可定义倒角光滑解析刚性面上的尖角。定义接触时应当注意接触面的法向方向应该相反。两个接触面之间滑动较大,故选用有限滑动算法。在ABAQUS/Standard中,对“Constraint enforcement method”的选择,平面应力问题建议选用“Node to surface”,平面应变问题建议选用“Surface to surface”。在结果出来后往往会发现出现穿透现象,这时需要重点检查两个方面:1.接触定义是否正确,包括主从面、法线方向等;2.从面网格需要细化。

约束的设置

可能的情况下,应当增加约束,可以增大求解的成功的可能,而约束不足容易产生奇异解,比如橡胶“到处乱跑”。比如本模型中,可以对橡胶下方的接触点全约束,而橡胶上方的接触点只允许竖直方向的移动。 

网格

网格的疏密、网格划分技术(Mesh controls)和单元类型的选择,对计算的成败影响很大。只能具体问题具体分析。划分好网格后最好使用verify来检查一下网格的质量,发生扭曲的地方要改善网格质量。变形严重的地方需要细化网格。优先选用线性单元,高阶单元容易发生单元畸变,易于导致计算失败和不准确的结果。 

 

 
 
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