超彈性材料的非線性行為分析

2021-01-09 初中化學大師

從材料力學性能研究的角度,建立非線性材料密封封材料力學性能測試標準方法,以及通過測試獲取應用於密封件CAE仿真分析的材料參數,對於密封件的選材、結構設計、仿真分析和正向開發具有重要意義。材料測試與參數仿真應用包含如下幾部分內容。

密實彈性材料本構關係測試發泡橡膠本構關係測試超彈性材料本構模型研究與參數擬合分析超彈性材料本構模型在結構密封件CAE仿真分析中的應用

而往往超彈性材料的本構關係測試應包含:單軸拉伸試驗、純剪切試驗、等雙軸拉伸試驗和體積壓縮試驗等4項基本試驗;進一步地,為對標實際試驗和產品應用條件,還需要進行包含不同溫度條件下的本構關係測試。其本構模型為包含Neo-Hookean模型、Mooney-Rivilin模型、Van der Waals模型等不同的形式,國內由於實驗室條件的原因,鮮有超彈性材料的四項基本測試機構,據實了解,北京易博科技可以做這樣的實驗以及擬合曲線控制在5%誤差範圍內。

超彈性材料的非線性分析的約束及載荷簡單,但是最為常見的就是由於時間步長過小、網格高度扭曲、載荷加載過快、接觸設置等原因導致,根據提示錯誤反覆調整仍不能收斂。

改進建議:

1.利用增廣拉格朗日算法,減小法向剛度值,允許有穿透;

2.多層細化網格,儘量使用四面體網格,減少使用六面體網格;

3.增加時間步長,同時意味著增加計算時間,浪費計算資源。

實例操作

問題描述:二維尼龍非線性材料在鋼板的擠壓下的應力應變,擠壓距離為5mm和7mm的變形對比分析

關鍵控制點:材料選用Neo-Hookean模型,並進行擬合曲線;接觸設置為無摩察接觸和摩擦接觸;採用增廣拉格朗日算法,調節法向剛度因子。

實施過程

材料屬性的定義,選擇擬合曲線,如圖所示。

2.導入二維平面模型,並打開Mechancial界面,添加材料,上鋼板和下鋼板選用默認的材料,尼龍定義擬合好的超彈性材料。

3.定義接觸:下壓5mm時,接觸定義為三組A.上鋼板與尼龍的邊接觸,尼龍的邊設置為接觸面(硬表面為設置目標面);B.下鋼板與尼龍的平面邊接觸;C.下鋼板與尼龍被切部分的邊接觸。A、B為無摩擦接觸,C為不分離接觸,其它設置保持默認。

下壓7mm時,接觸定義為三組A.上鋼板與尼龍的邊接觸,尼龍的邊設置為接觸面(硬表面為設置目標面);B.下鋼板與尼龍的平面邊接觸;C.下鋼板與尼龍被切部分的邊接觸。A、B、C均為摩擦接觸,增廣拉格朗日算法。

4.劃分網格,細化尼龍的網格。如圖。

5.定義約束和載荷,將下鋼板添加固定約束fixed support,上鋼板施加向下的位移載荷displacement分別為5mm,7mm。

6.分析設置,主要是打開大變形開關(非線性分析必須打開),設置時間步(剛開始使用默認,收斂困難再逐步增加時間步長,每增加一位數,計算時間翻倍)

7.結果過計算及查看,此案例添加接觸工具以查看滲透大小,壓力變化大小,常用接觸壓力來判斷密封性能(或者施加靜止水壓查看是否會洩露,需添加APDL命令流,此處暫不做示範)

下壓5mm時總變形圖

下壓7mm時的總變形圖

下壓5mm時的應力變化

7mm時的應力變化

5mm時的穿透量大小

7mm時的穿透量大小

5mm時的接觸壓力

7mm的接觸壓力

結論:當下壓5mm時,上鋼板與下鋼板同時對尼龍的切弧面發生變化,但並沒有使得尼龍產生較大的形變,故屬於線性行為,當繼續下壓上鋼板,使得尼龍發生較大的形變,且難以發生收斂,接觸產生較大的穿透且接觸壓力非常大,這也是超彈性材料最大的特點。

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