Abaqus橡胶本构模型选择

橡胶这种超弹性材料在医疗器材、工业、建筑和国防中等都具有广泛的应用。但橡胶的本构关系非常复杂，在大量试验数据的基础上，人们建立了很多理论模型来描述其力学特征。本文主要对Abaqus中橡胶本构模型的选择进行简单介绍。

一、概述

与金属材料不同，橡胶在受力以后的变形非常复杂，并伴随着大位移和大应变。橡胶材料本身又是非线性材料，本构关系复杂，无法像金属材料那样仅需几个系数便可描述材料特性。

此外，橡胶在变形过程中的体积几乎不变，同时其力学行为对温度、环境、应变历史、加载速率等十分敏感，这样就使得描述橡胶的行为更加复杂。

随着技术的发展，现在可借助计算机使用有限元方法来分析工业中橡胶元件的力学性能，包括选取橡胶的本构模型、拟合本构模型等。

二、Abaqus中本构模型的选择

在Abaqus中进行橡胶材料的本构模型选择、主要包括以下几个步骤：

1、在Module中下拉选择property，并依次创建密度、延展性和超弹性项，如图1~图3所示。

2、接下来需要定义橡胶超弹性的参数，包括试验应力-应变数据的导入、本构模型的识别和拟合选择等。这里的数据导入以单轴试验数据为例，各步操作如图4~图5所示。

3、数据导入完成之后，就根据数据进行本构模型的识别。如图6~图7所示。

其中，图7中Test setup项可以默认；后面一个是可能相关的本构模型，可以根据数据大体判断勾选。然后点击OK开始根据数据进行本构模型识别。

4、在计算完成之后，会出现两种结果，如图8~图10所示。

由图8可知试验数据与不同本构模型的曲线相似度，图9和图10可直接判断哪个本构模型更合适，如图9的unstable可能不如图10的stable本构模型合适。

然后再回到图4中，在strain energy potential中下拉选择比较合适的本构模型即可。

三、其他说明

需要补充几点说明：

1、当材料行为是不可压缩（泊松比=0.5）或非常接近于不可压缩（泊松比＞0.475）时，则不能用常规单元来模拟（平面应力情况除外），因为此时单元中的压应力是不确定的；

2、如图11所示，考虑均匀静水压力作用下的一个单元，材料若不可压缩，则其体积在均匀压力作用下并不改变，单元内部的变形是非确定量，压应力无法由单元内部积分点处的应变得到，或者无法从节点位移得到节点力；

3、对于具有不可压缩材料性质的任何单元，一个纯位移的数学公式是不确定的。Abaqus中采用杂交单元来处理，杂交单元包含一个可直接确定单元压应力的附加自由度。节点位移只用来计算偏应力和偏应变；

4、橡胶就是一种典型的具有不可压缩性质的材料，如建立六面体有限元网格时，其单元类型应选为C3D8RH杂交单元；同时，计算中有大位移，需要将载荷步中的Nlgeom选为On。

文章来源：汽车CAE仿真知识库