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基于Creo,Simulate的橡胶减震器超弹性材料分析
本文介绍了CreoSimulate超弹性材料模型的本构方程和材料系数拟
合方法,在CreoSimulate中对橡胶减震器进行了超弹性材料、大变形和
接触三个方面的组合非线性分析,模拟了减震器的变形情况和应力状态。
本文介绍了CreoSimulate超弹性材料模型的本构方程和材料系数拟
合方法,在CreoSimulate中对橡胶减震器进行了超弹性材料、大变形和
接触三个方面的组合非线性分析,模拟了减震器的变形情况和应力状态。
一、超弹性材料的力学性能
超弹性材料(例如橡胶)是指可对大应变进行瞬时弹性响应的非线性
材料,如图1所示的典型固体橡胶材料单轴拉伸应力—应变曲线。在低应
变区的弹性系数为1MPa左右,仅为钢(弹性系数约为2×105MPa)的
二十万分之一。
通常橡胶可以拉长到原长的600%,最长可达1000%,而钢仅在伸长
1%时才保持弹性。橡胶的热学属性表现为受热缩短,和受热膨胀的其他固
体相反。拉伸状态下,材料先软化再硬化,而压缩时材料急剧硬化。
橡胶是链状高分子聚合物,添加硫或其他无机物使链状分子相互搭桥
形成网状结构,具有高度弹性,而且几乎不发生体积变化。自然状态这些
链状高分子处于无规则蜷缩状态,受拉时卷曲链状分子通过内部旋转被拉
直,但被拉直的链状分子的无规则运动力图使其恢复卷曲状态。在整个变
形过程中,橡胶材料的应力应变关系是非线性的,但是在一个很小的增量
段范围内仍可看成是线性的,因此可以使用增量形式创建橡胶材料的应力
应变关系。
二、CreoSimulate中选用的超弹性材料模型
CreoSimulate包括下列6种超弹性材料模型(表1)。
下面对这些材料模型进行简要说明。
橡胶材料的应力应变关系表达有两种理论,一种是统计热力学,有高
斯模型和非高斯模型;另一种是基于连续介质力学,把橡胶作为一个连续
统一体的唯象理论。前者认为橡胶弹性恢复力主要来自熵的减少,橡胶的
伸长使得橡胶结构由高度无序变得有序,由对橡胶中分子链的长度、方向
以及结构的同价得到橡胶的本构关系,软件中也提供了Arruda-Boyce模
型;后者假设在未变形状态下橡胶为各向同性材料,长分子链方向在橡胶
中随机分布,该假设用单位体积弹性应变能密度描述橡胶特性,软件中也
提供了多项式形式模型特例。
1.统计热力学模型
(1)高斯统计模型。
(1)
式中,n为平均单位体积的网链数,k为Boltzmann常数,T为绝对
温度,λi为主伸长率。
(2)非高斯统计模型。
有单链、满链、P链等模型形式,P链模型有3链、4链、8链等。
典型的8链模型是Arruda-Boyce模型,Arruda-Boyce模型可以在较少的
试验数据下得到较好的结果,但是当材料发生大变形时,计算结果不精
确,原因是其中的朗之万反函数在展开过程中仅取了前几项(例如5
项)。该模型需要的实验数据很少,应变可达300%。
2.多项式形式
对于各向同性材料,应变能密度函数分解成应变偏量能和体积应变能
两部分,形式为:
(2)
(1)多项式中的项说明如下。
W为应变能密度,I1、I2、I3是变形张量不变量,l1、l2、l3是主
伸长率。体积比J=l1l2l3=V/V0,热膨胀体积变形Jth=(1+εth)
3。Je是弹性体积比,对于不可压缩材料,Je=1。
弹性体积变形、总体积变形与热体积变形的关系为:
Je=J=Jtotal/Jth(3)
偏差主伸长率和偏差不变量被定义为:
其中p=1,2,3。
(2)将完全多项式的I2项略掉,Cij=0(j≠0),则可以得到缩减
多项式,也称之为简化多项式。
(4)
(3)对于完全多项式。
N=1即为Mooney-Rivlin模型二项形式,该模型在工程上广泛应用
于弹性体变形研究。但是该模型处理双轴拉伸和平面拉伸(纯剪切)问题
时,效果非常差。为此高阶项的Mooney-Rivlin模型相继被提出。该模型
是比较常用的本构模型,对于没有碳黑的橡胶来说,能得到比较准确的效
果。对密封圈、轮胎、O型圈等材料
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