基于SIMULIA的橡胶弹性元件分析秘籍（上）

发动机悬置底盘衬套橡胶衬套模型定义单元类型定义载荷步定义接触接触对定义设置摩擦系数自我接触（self-contact）静载荷动载荷静刚度曲线动刚度曲线应变云图

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。

01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：

• 支撑功能-静态刚度
• 减振要求-动态刚度
• 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：

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。

02橡胶弹性元件仿真问题及难点

• 橡胶材料的复杂特性

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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。

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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。

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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。

• 橡胶材料仿真的难点

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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。

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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。

03

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。

03ABAQUS在计算橡胶弹性元件动静刚度的案例

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。

• 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。

• 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。

• 注意打开几何非线性选项。

• 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。

• 定义其他

• 后处理

04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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