Abaqus模拟橡胶大变形

 Abaqus为用户提供了多种本构关系来模拟超弹性材料，这种材料具有高度非线性，当Abaqus进行模拟时假设这种材料是具有弹性、各向同性，并且同时考虑几何非线性效应。与材料的剪切柔度相比，对于大多数类似橡胶的固体材料，其可压缩性非常小，当分析对象为平面应力问题、壳、薄膜、梁、桁架、或者钢筋等，这个问题不值得关注。但是对于固体、平面应变或者轴对称问题却不能忽略。对此，Abaqus/Standard提供了杂交单元来模拟超弹性材料中完全的不可压缩行为。

        橡胶材料力学性能的描述方法主要为两类：一类是认为橡胶为连续介质的现象学描述；另一类是基于热力学统计的方法。基于连续介质力学的本构模型主要有Polynomial、Reduce Polynomial、Ogden模型等，其中Mooney-Rivlin模型是 Polynomial的特殊形式，Neo-Hookean 模型是Reduce Polynomial的特殊形式。基于热力学统计主要有Arruda-Boyce和Van der Waals等本构模型。本文利用Abaqus模拟大变形的橡胶，具体步骤如下。

1、在Abaqus/CAE Sketch模块中作出模型草图，如图1所示，然后在Part模块中分别建立Push、Rubber、Base三个部件。其中Push为解析刚体，Base为离散刚体。

图1 草图

2、在Property模块中定义橡胶的属性，采用Mooney-Rivlin模型，参数如图2所示，然后赋给Rubber部件。

图2  橡胶参数设置

3、装配，定义分析步，采用默认的场输出和历史输出。为了保证刚开始能够较容易收敛，设置分析步初始增量步为0.01，打开几何非线性。

图3  分析步定义

4、定义接触对：Push下表面和橡胶表面，Base上表面和橡胶表面。接触属性定义和接触对定义如下：

图4 接触属性

图5 接触对定义

5、定义载荷边界条件。约束Push的1、6自由度，在分析步中2自由度方向给定-19的位移；约束Base的全部自由度。

6、橡胶采用CPS4R单元，离散刚体采用R2D2单元。

图6 网格划分

7、提交计算。

8、后处理

位移云图如图7 所示

图7 位移云图

图8 伪应变能（ALLAE）

图9 弹性应变能（ALLSE）

图10 伪应变能与弹性应变能比值

        图10 表明，在增量步刚开始，比值瞬间到达15.7%，这是一个两个微量相除的结果，可以忽略。在随后的时间里，耗散的伪应变能占的比例逐渐下降到0.2%左右，并且能够一直维持这个值，远小于5%的预期值，说明沙漏现象得到了有效的控制。

来源：有限元在线