【ANSYS】橡胶材料本构拟合与拉扭试验验证

橡胶材料是典型的超弹性材料，要获取超弹性材料本构模型（常见有Mooney-Rivlin、Ogden、Yeoh等），一般需要做一系列标准橡胶试验并进行数据拟合。

本例演示了ANSYS对超弹性材料的曲线拟合能力，并通过有限元分析与拉扭试验的对比，验证所建立的本构模型的有效性。

常见的橡胶标准拉伸试验

现需要一个本构模型来匹配硫化天然橡胶材料在各种变形模式下的100%工程应变的行为。

本例中，已通过试验（单轴、双轴和平面拉伸试验）获取了橡胶的实验数据。使用这些数据，通过超弹性拟合能力确定本构模型的参数，可以拟合3参、5参和9参的Mooney-Rivlin超弹性模型。

试验数据

同时对橡胶进行了拉扭实验（将条形试件的两端夹入测试仪器中，然后将试样拉伸到原尺寸长度的50%，并将试样的一端扭四圈）。试样与ASTM D1043中规定的试样相似，如下图所示：

拉扭试验条形试件

使用拟合得出的Mooney-Rivlin超弹性模型（5参为例）对拉扭试验就行有限元分析，并与试验结果相对比，据此判断前面拟合得出的本构模型能否反映橡胶材料的真实行为。

模型采用SOLID186单元，两端夹钳区域采用MPC算法绑定到定位点。

有限元模型示意图

按照拉扭试验的加载顺序：

step1：对两端夹持区域施加试件厚度25%的压缩位移，模拟夹具对试件的夹持作用。

step2：通过移动一侧的夹持区域（刚性接触面），同时固定另一侧夹持区域，模拟拉伸到50%的拉伸状况。

step3：通过将一侧夹持区域保持在原位并围绕纵轴旋转另一侧夹持区域绑定的关键点来模拟试件的扭转。

加载顺序

通过*create命令创建data文件存储试验数据：

使用tbft命令拟合数据：

将夹持面用MPC算法绑定到关键点上：

计算模拟出试件夹持、拉伸、扭转行为：

提取扭转过程的扭矩-角度（M-θ）曲线，与试验结果较为吻合，证明前面通过拟合得出的5参Mooney模型可准确预测该橡胶行为。

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