橡胶密封有限元计算过程分析.pptVIP

橡胶密封数值仿真概况 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 因为橡胶密封问题的有限元求解相对困难，现有的计算多集中在密封橡胶变形较小，变形后的形状改变相对简单的情形（上图即为近年来文献中的密封橡胶的计算） 本计算所面临的主要困难 三种非线性问题的集合，求解较困难，曾经接触较少 突破前人的瓶颈，必须解决密封橡胶在变形大（100％左右的变形），并且变形复杂（变形后密封橡胶和4－8个表面接触）情况下的求解 仿真过程的探索 存在问题（1） 所得结果如图所示 分析原因 这种错误的主要原因是没有分清楚 作为平面应力还是平面应变问题计算 长柱体可作为平面应变问题，需要 在材料模块设置厚度，接触需要设成有 限滑动中的surface to surface,划分 网格单元要设成CPE* 薄板问题可作为平面应力问题，材料 模块不需要设厚度（默认为1，不改动） 接触需要设成有限滑动中的 node to surface,划分网格单元要设成 CPS* 存在问题（2） 将此作为平面应变问题小心设置， 所得结果如图，结果明显改善，但 计算没有进行完成，出现中止 分析原因 1. 在此中止时刻，橡胶有向外延伸趋势 故可能是尖角处网格产生畸变，应当 适当调整网格 2.约束不足，考虑在密封橡胶的上端点 只允许向下移动，下端点完全约束 3.调整接触，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。 存在问题（3） 存在问题（4） 存在问题（5） 最后结果 优化（1） 凸头长为1.2mm，向下位移为 1.5mm，结果如图 优化（2） 凸头长减小为0.6mm，向下 位移为1.5mm，结果如图 这种情况下，刚体和橡胶的 接触面积增大 优化（3） 感受 1.积极动脑，多想办法 2.采用更先进的技术解决standard中的收敛问题，例如网格重画 * * 橡胶密封有限元计算过程分析 Date:2007.7.6 张磊 Contents 橡胶密封数值仿真概况 本计算面临的主要困难 仿真过程的探索（存在问题、结果、优化） 感受 简化问题，长柱体可作为平面问题计算 创建部件，橡胶为二维可变形体，其余为二维解析刚体 创建材料，橡胶为超弹性材料，并设部件长度为0.1m 组装（为方便组装，建模的时候已考虑相对位置） 创建分析步及输出，创建一个静态、一般的分析步，将初始增量和最小增量设为一个较小的值以减少收敛困难，输出应力、位移和支反力 创建接触，面－面接触，有限滑动，surface to surface 施加载荷，下面刚体完全约束，上面刚体有1.2mm(注意单位)的位移载荷 划分网格，采用杂交单元 提交计算 右图为调整后所得结果，计算完成 但尖角处网格变形严重，如果增大位移 载荷则计算中止 分析原因 1.在材料中引入适量的可压缩性（例如设 泊松比为0.46）能够减少网格体积自锁 2.考虑使用Mooney-Rivlin 材料模型或者 Yeoh 材料模型，但后来认为，使用不同的 材料模型对收敛影响不大 3.网格细化，这样可以减少网格畸变 右图为网格细化后的结果，计算中止， 并且尖角处出现穿透现象 分析原因 1.网格细化在standard中并不能改善结果， 实际上在standard中网格不能过稀也不能 过密，但这样调整起来非常麻烦 2.将尖角变为圆弧，可以减轻收敛困难 3.使用explicit求解器进行计算，它采用 显式算法，应该不存在收敛问题。Explicit中 默认橡胶的泊松比为0.475，explicit中没有 杂交单元 采用explicit求解器后结果如图， 计算比较顺利的完成，但是耗时 较长，并且在圆弧转角出现穿透 分析原因 1.出现穿透现象一般为接触定义 有问题，或者网格需要进一步 细化。应当仔细检查接触定义， 另一方面对转角处进行网格细化 2.网格细化势必导致计算量的增加， 所以对密封橡胶外围细化，内部 粗化，以减少计算量 转角处网格细化后结果明显改善， 在转角处没有出现穿透现象 总结 1.使用explicit求解器能够避免Standard中 的收敛问题，但耗时较长。在精度允许的 情况下，可采用explicit求解器 2.穿透现象是后来碰到的最经常的问题。 碰到这个问题主要从两方面入手，一是 仔细检查接触定义是否有问题，二是在 出现穿透的地方再进行网格细化 3.Explicit中也可能因为网格变形过大而 中止计算，所以仔细的定义网格仍是 必须的。 改为橡胶－橡胶的接触， 向下位移载荷为2