用ABAQUS軟件分析橡膠堆的性能

1、用 ABAQUS 軟件分析橡膠堆的性能王明星、黃友劍、林勝(株洲時代新材料科技股份有限公司,湖南株洲, 412007摘要:隨著橡膠堆支座在橋梁結(jié)構(gòu)中的廣泛應(yīng)用,人們對橡膠支座的性能 研究也愈來愈深入, 本文以美國 HKS 公司開發(fā)的大型有限元軟件 ABAQUS 軟 件為平臺,討論如何完成橡膠堆產(chǎn)品的有限元分析。并比較有限元分析與常規(guī) 計算的優(yōu)劣。關(guān)鍵詞:有限元、橡膠堆、 ABAQUS ,隔振。一. 引 言橡膠堆結(jié)構(gòu)是橡膠與剛板相互交錯的疊層結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)是減、隔振裝置 中最常用的結(jié)構(gòu)之一,對于一個隔振系統(tǒng)要取得好的隔振性能,關(guān)鍵取決于隔 振裝置的力學(xué)特性。而要保證設(shè)計的產(chǎn)品有良好的力學(xué)特性,設(shè)

2、計前的產(chǎn)品性 能分析是必不可少的。采用常規(guī)的計算方法求解時,往往會伴隨一些假設(shè),這 會降低結(jié)果的準(zhǔn)確程度。 而相比之下, 根據(jù)有限元理論, 利用有限元軟件求解, 就會大大提高求解的精度。同時也有助于我們獲得結(jié)構(gòu)中更多的信息。本文將 利用美國 HKS 公司的大型有限元軟件 ABAQUS 軟件分析橡膠堆產(chǎn)品的力學(xué)性 能。二. 分析過程2.1問題描述橡膠堆產(chǎn)品在工作狀態(tài)下主要承受垂向壓力和水平的剪力作用。產(chǎn)品的結(jié) 構(gòu)簡圖如圖一所示: 圖 1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡圖2.2 分析步驟在對產(chǎn)品進行有限元分析時,一般分以下幾個步驟進行。步驟一:建立有限元模型:根據(jù)產(chǎn)品的尺寸形狀, 建立有限元模型如圖二所示。 劃分網(wǎng)格

3、時,對于橡膠部分,考慮到橡膠材料的不可壓縮性,采用三維八結(jié)點 雜交單元 C3D8H 來模擬; 對于鋼板部分, 采用三維八結(jié)點實體單元 C3D8來模擬。 圖 2 產(chǎn)品有限元模型圖步驟二:定義材料性質(zhì)橡膠材料:橡膠是一種超彈性材料,對于超彈性材料,不用楊氏模量和泊 松比,而用應(yīng)變勢能(U 來表達應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。 ABAQUS 軟件中有兩種應(yīng)變 勢能可利用, 分別是多項式模型和奧根 (Ogden 模型。 本例中使用多項式模型, 表達式如下:=+= +=NjiNii elij iijj DiiCU11 22 11 ( 13( 3 (式中:U 應(yīng)變勢能Jel彈性體積比I 1 、 I2應(yīng)變不變量Di定義材料

4、的壓縮性Cij Rinvlin 系數(shù)本例中取 N=1,本產(chǎn)品所用膠料硬度為邵氏 60,以橡膠材料的單軸拉伸, 單軸壓縮和平面剪切實驗數(shù)據(jù)為依據(jù),并考慮到橡膠的不可壓縮性,輸入方程 各系數(shù)值如下:C 01 =0.36,C10=0.09, D=0鋼材料:鋼材料作為彈性材料我們采用彈性模量和泊松比描述其性能。EX (彈性模量 =200000MPa(泊松比 =0.3注意事項 :橡膠的特性十分錯綜復(fù)雜,橡膠的材料特性和幾何特性都是呈非線 性變化的。如果要準(zhǔn)確的預(yù)測模型中發(fā)生變形或應(yīng)變部分的行為,那么,提供 的試驗數(shù)據(jù)的范圍要涵蓋計算模型中可能會出現(xiàn)的變形形式和應(yīng)變范圍。 步驟三:加載并求解加載時, 模擬

5、實際工況, 橡膠堆底面固定, 在上表面分別施加載荷 :FZ=98KN, FY=1.73kN, FX=1.41kN。然后,采用波前求解法,求解得出最終結(jié)果。步驟四:結(jié)果分析結(jié)果分析是有限元分析的關(guān)鍵步驟之一,這一步中分析員首先要判斷分析 的質(zhì)量,根據(jù)分析質(zhì)量的好壞來決定是否需要重新分析。如果分析質(zhì)量可以滿 足要求,那么下一步就要根據(jù)產(chǎn)品的實際工作要求,在分析結(jié)果中提取感興趣 的數(shù)據(jù)進行分析。本次分析通過比較剛度結(jié)果來判斷分析質(zhì)量。并提取橡膠部分的 Von Mises 應(yīng)力的結(jié)果作為下一步分析的對象。1、剛度結(jié)果有限元分析的剛度結(jié)果與常規(guī)計算結(jié)果 1及實驗結(jié)果的對比情況如下表所 示(剛度的單位為

6、kN/mm 。方向常規(guī) 計算 有限元分析實驗Z 向Y 向X 向表 一從表一來看,與常規(guī)計算結(jié)相比較,有限元分析的結(jié)果更接近實驗值。所 以,有限元分析得到的結(jié)果更具有參考價值。從表一我們也看出,有限元分析 結(jié)果與實測結(jié)果仍有一定的誤差,其中, X 向剛度的誤差值與實測值的比值最 大,為 7.14%,這個值在工程許可的范圍內(nèi)。因此,分析結(jié)果是可信的。針對 產(chǎn)生誤差的原因,我們分析可能有如下幾個方面。a 、 測量操作的本身有一定的誤差。b 、 計算過程中模型的簡化,材料參數(shù)的選擇,亦是造成誤差的原因。c 、 在對連續(xù)的結(jié)構(gòu)做離散處理時,亦會產(chǎn)生一定的誤差。2應(yīng)力結(jié)果與常規(guī)計算相比較,利用有限元軟件還

7、有一個明顯的優(yōu)勢,利用有限元軟 件分析產(chǎn)品性能時,可以得出產(chǎn)品的各部分的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果。這對判斷產(chǎn)品 結(jié)構(gòu)是否合理,是否存在應(yīng)力集中很有幫助。因為橡膠堆產(chǎn)品主要是橡膠部分發(fā)生破壞。所以分析應(yīng)力結(jié)果時將橡膠部 分的應(yīng)力水平作為重點分析對象。因篇幅所限,本文只給出橡膠在垂向(Z 向 發(fā)生變形時, 橡膠部分的 Von Mises 應(yīng)力分布云圖, 垂向變形時的應(yīng)力分布 圖如圖三、圖四所示。 圖 3 橡膠部分應(yīng)力云圖 圖 4 單層橡膠上的應(yīng)力云圖由上圖看出,橡膠堆產(chǎn)品的應(yīng)力云呈層狀分布,而且橡膠與鋼板聯(lián)接的倒 角處的應(yīng)力云圖的顏色最深,亦即,此處的應(yīng)力值最大,最大 Mises 應(yīng)力值為 1.691MPa

8、 。因此,要降低整個橡膠部分的應(yīng)力水平,首先就要降低倒角處的應(yīng) 力水平。為此,我們又分析了橡膠堆發(fā)生垂向變形時,倒角處的應(yīng)力值隨倒角 半徑的變化情況。分析結(jié)果如圖五所示。 圖 5 倒角處應(yīng)力隨半徑變化曲線Home 由上圖可以明顯的看出,倒角處的應(yīng)力對倒角半徑的依賴性很強,開始階 段,隨著倒角半徑的增加而應(yīng)力值迅速減少,而后隨著半徑的繼續(xù)增加,應(yīng)力 值的減小速度趨緩. 根據(jù)設(shè)計要求與圖五所顯示的結(jié)果我們將倒角半徑改為 7mm, 此時的 Mises 應(yīng)力的最大值 1.2MPa 左右, 這個應(yīng)力值小于橡膠在短時間沖擊載荷下的許用應(yīng) 力值.通過調(diào)整結(jié)構(gòu)尺寸,垂向變形時,產(chǎn)品的應(yīng)力水平可以滿足使用要求. 三. 結(jié)論 通過以上的例子可以看出,與常規(guī)計算相比較,利用有限元軟件對產(chǎn)品進 行分析計算,對調(diào)節(jié)產(chǎn)品的剛度,強度性能,以及提高產(chǎn)品使用壽命都更加有 利.而且,隨著人們對產(chǎn)品設(shè)計的合理性,科學(xué)性的要求的不斷提高,有限元 分析作為一種重要的分析手段,在產(chǎn)品設(shè)計中的所起的作用亦會愈來愈大. 四. 參考文獻 1. 2. 橋梁減隔震設(shè)計,范立礎(chǔ),王志強,人民交通出版社,2001