橡胶=汽车半条命：浅谈ABAQUS橡胶大变形仿真5大注意事项

导读：橡胶材料由于其独特的物理和化学的特性（如超弹性，粘弹性且柔软性、耐磨性、绝缘性和阻隔性等），使得其在工程上得到了非常广泛应用，这一点在汽车行业尤为明显。纵观过去近200年的历史，硫化橡胶的诞生直接推动了汽车革命。如今在我们的汽车中，橡胶制品早已是“汽车的半条命”。就拿我们常见的桑塔纳轿车来说，其就拥有270多个橡胶密封制品，而这些橡胶组件的性能直接决定了汽车的性能和安全。

橡胶材料是一种典型的超弹材料，其在受力过程中可以看作只有形状改变而其体积几乎无变化的不可压缩性物体，同时还伴随着几何非线性和物理非线性。因此，对橡胶材料的相关仿真计算的难度相对较大一些。

首先简单回顾一下有限元仿真分析中的非钱性问题类型：

①边界条件的非线性：即边界条件在分析过程中发生变化。接触问题就是一种典型的边界条件非线性问题。它的特点是边界条件不能在计算的开始就可以全部给出，而是在计算过程中确定的，接触物体之间的接触面积和压力分布随外载荷变化。

②材料的非线性：即材料的应力应变关系为非线性。

③几何的非线性：即位移的大小对结构的响应发生影响，包括大转动、大位移、几何刚性化等问题．

在橡胶制品的仿真分析过程中，以上三种非线性类型均有涉及，如果分析设置不当，极其容易导致求解困难，特别是对变形复杂（比如和多个不规则边界接触、变形很大等）情况。这样一来，如何实现橡胶制品大变形的仿真便成我们较为关心的问题。

下面以对橡胶柱的压缩试验的仿真分析为例，简述一下针对橡胶大变形仿真过程中需要注意的几点：

图1、理想与现实的差距

(一)模型的简化

对于一个工业数模，常常需要进行一些合理的模型简化，但不可过度简化。例如上图中的橡胶柱压缩试验的仿真中，对上下金属板的采取不同的处理方法，其计算的收敛性有较大的不同

图2，左侧考虑金属板；右侧未考虑金属板

(二)接触与约束的设定

通过修改接触与约束的相关参数可以使分析计算更容易收敛，但是需要注意分析模型与实际试验的拟合度。例如图3所示，左边为考虑硫化工艺，在金属与橡胶的接触面上设置为绑定约束，右图直接设置为接触摩擦约束，虽然分析更容易收敛，但是其与实际的试验情况不相吻合，分析误差较大。

图3、不同接触与约束参数对仿真的影响

(三)网格参数的设定

1网格尺寸的选择

有限元网格的分布形式也影响橡胶弹性特性预测的精度。较细的网格单元收敛速度缓慢，且容易发生单元体积锁死，而太粗的网格会影响计算的精度。通常在进行初始网格划分时．需特别注意大变形区的网格形态，开始尽量采用粗网格划分。以降低分析的复杂程度。然后根据问题的类型和分析结果进行网格重划分，尽可能使网格发生大变形后仍具有良好的单元几何形态。

图4、不同网格尺寸对大变形仿真的影响（左1mm/中2mm/右3mm）

2网格阶次的选择

在大变形的仿真计算中，建议优先选用线性单元，一阶单元较二阶单元能更好地模拟橡胶的扭曲大变形，不易发生单元畸变。

图5、不同网格属性对大变形仿真的影响（左：二阶单元 /右一阶单元）

此外还应设置尽可能小的时间步长，以保证求解结果的精度和可靠性。并对结果作仔细检查，以确定原始测试数据是否涵盖了模型的变形模式和最大应变。以上均为常规手段，对于一些较为复杂的模型仍不能做到较好的收敛。那么没针对一些复杂模型，就用应用一些非正常手段——网格重绘技术。

网格重绘技术不是ABAQUS软件中的网格自适应技术，其利用Map Solution命令将计算结果映射到一个新的网格文件上，然后针对新的网格文件进行二次计算，其计算流程可总结为下图所示

图6、Map Solution命令一般计算流程

由于在第二段加载时虽然使用了MAP语句将第一段加载的计算结果映射进来，但是由于前后两次的网格文件并不能做到完全一致，所以在分段计算的结果与整体一次性计算的结果略有偏差，这个在刚度曲线中就可以明显的看出，前20mm的加载时，模型文件一致。所以刚度数据呈现出一致性，但是由于在20mm后引入重绘网格后，刚度计算值较一次性完整加载偏大。但是由于在第二段计算时进行了网格重绘，获取了质量较高的网格文件，所以其可压缩至40.76mm(模型原高度为50mm)。

图7、一次性完整、第一段加载与第二段加载的刚度曲线

图8、一次性完整加载云图与第一段加载云图、第二段加载云图

总结（这里是关键）

在处理橡胶材料的大变形仿真时，应当注意：

1对模型的简化需要考虑到真实的试验环境，在保证准确的前提下合理简化模型；

2依据实际情况设置适当的接触与约束条件，尽量不使用摩擦约束；

3在精度允许的范围内，可优选一阶线性粗网格进行计算；

4设置较小的增量步；

5可借助Map Solution语句实现网格重绘与二次加载计算等高阶方法进行仿真。

橡胶大变形仿真计算专题直播

橡胶大变形状态的仿真计算,是橡胶分析的一个难点和挑战，为了帮助到更多的学员，笔者受仿真秀邀请于2020年6月3日晚8：00在仿真秀平台举办《如何解决ABAQUS超弹性材料仿真的收敛性？》专题付费直播。

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1.橡胶大变形仿真时模型简化的基本原则

2.相互作用设置的基本原则

3.重分析技术的设置与应用

4.网格重绘技术的应用

5.常见不收敛问题的报错处理

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特别注意：直播前后提供讲师答疑、视频在仿真秀官网永久回看和资料模型下载等服务。课程咨询可添加小助手VX【ansysli】。