基于SIMULIA的橡胶弹性元件分析秘籍（上）

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本文将介绍在汽车橡胶弹性元件的设计中如何使用SIMULIA品牌的Abaqus和Fe-safe软件来帮助我们的设计工程师快速有效地评估橡胶弹性元件产品。

基于SIMULIA的橡胶弹性元件分析秘籍（上）

橡胶一词来源于印第安语“cau-uchu”，意为“流泪的树”。在当初发现天然橡胶的时候人们只是把这种材料做成橡皮擦。然而随着工艺的进步，各种各样的橡胶都被人们开发出来。在当今的工业界，橡胶材料正发挥越来越重要的作用。从航空航天到机械电子，从军工产品到日常消费品，我们都能见到它的踪影。

达索系统SIMULIA作为多学科和多领域的科学计算和工程仿真提供了软件平台。对于达索产品，第三方产品和客户自己的应用程序，它具有开放的结构和数据。SIMULIA的求解器，应用程序和定制的解决方案将建立在开放，可扩展，可定制的PLM平台之上。它基于公用的数据定义，共享的产品结构和强大的力学技术，利用统一的有限元模型模拟多种工程问题。

本文将介绍在汽车橡胶弹性元件的设计中如何使用SIMULIA品牌的Abaqus和Fe-safe软件来帮助我们的设计工程师快速有效地评估橡胶弹性元件产品。

一、前言

汽车橡胶弹性元件主要用于减缓汽车行驶时振动和降低噪声，改善汽车操纵稳定性，安全性和舒适性，其必须满足以下的基本要求：

1.支撑功能-静态刚度

2.减振要求-动态刚度

3.耐久要求

这三个方面是相互矛盾和制约的关系，随着对车辆的操控和隔振要求不断提高，对橡胶类元件的要求也在不断提高。以下是两类典型的汽车上所使用的弹性元件：

发动机悬置

底盘衬套

悬置用于减少并控制发动机振动的传递，并起到支承作用的汽车动力总成件。当前广泛使用的悬置分为传统的纯胶悬置，以及动、静态性能较好的液压悬置

底盘衬套用于底盘各个杆件之间的连接，并且可以有效改善从面传来的高频振动和整个悬架的KC特性，提高底盘元件的使用寿命。

所以在设计此类产品中，通常需要仿真软件来计算和评估产品的性能。

二、橡胶弹性元件仿真问题及难点

1.橡胶材料的复杂特性

①材料的本构关系的选择会影响到最终所计算得到的结果，比如某些本构模型只能在小应变情况下与测试值符合较好，而在大应变时差距就会比较明显。而仿真结果的准确又依赖于材料模型，所以更准确的模型和实验数据能够帮助用户得到准确的计算结果。

②橡胶材料的动态特性取决于配方和实际环境，这些复杂的因素仿真橡胶材料所时往往不能全面考虑到，所以计算结果需要小心地去甄别和处理。

③橡胶的疲劳预测是公认比较难以解决的问题，虽然人们建立了许多理论模型和准则，但预测的结果往往更依赖于人们的经验。

2.橡胶材料仿真的难点

①由于橡胶材料的可变形量范围特别大，所以有限元的模型经常会出现不收敛的情况，这样也就得不准确的应变情况。

②橡胶材料的仿真是一个材料和几何非线性的分析，单元的类型也是不同于常规，并且需掌握的材料知识，力学和疲劳知识等多学科的知识，对工程师提出了比较高的要求。

③在仿真的过程中，工程师还需要合理布置网格，优化局部网格的密度需要工程师有多年产品的开发经验。

三、ABAQUS在计算橡胶弹性元件动静刚度的

当前，凭借着ABAQUS软件强大的功能，工程师们可以轻松对橡胶弹性元件进行CAE仿真。下面介绍如何在ABAQUS对如下模型进行动静刚度的计算。

橡胶衬套模型

1.定义材料

为橡胶材料选择hyper elastic 属性和viscoelastic属性。Abaqus支持的应变能函数很多，也能通过用户子程序自己定义。并且可以输入实验数据并进行拟合，通过Evaluate功能来比较哪种材料模型与实测数据相匹配。

2.定义单元类型

在Abaqus/Standard中使用Hybrid单元，例如C3D8H，C3D20H，而在Abaqus/explicit中请使用缩减积分单元，例如C3D8R。

3.定义载荷布

注意打开几何非线性选项。

4.定义接触

Abaqus提供非常强大的接触功能来帮助用户模拟各种接触问题。由于橡胶材料的应变量和变形的程度都比较大，所以一般包括自接触和别的部件的接触。

接触对定义

设置摩擦系数

自我接触（self-contact）

5.定义其他

分析	Step 类型	载荷类型	场输出	历史输出
静刚度分析	Static General	静载荷	NE：工程应变；S:应力；	RF：反力；U：位移
动刚度分析	Steady-state dynamic Direct	动载荷	NE：工程应变；S:应力	RF：反力；U：位移

静载荷

动载荷

6.后处理

静刚度曲线

动刚度曲线

应变云图

四、小结

本案例通过介绍如何通过Abaqus计算弹性元件动静刚度。说明Abaqus强大的非线性结构仿真能力，完整和灵活的材料定义模型，尤其是在类似的高分子材料仿真中，Abaqus能快速准确地帮助用户得到结果。

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