abaqus活塞密封超弹性仿真(一)

      前面的文章通过Adams对三缸发动机进行了动力学仿真：Adams三缸发动机仿真。而其中关键的部分就是活塞和活塞缸的往复运动，在活塞运动过程中，密封圈也是关键组成部分，可以有效地密封气体,防止燃烧室内的气体泄漏到曲轴箱内，最大限度地控制气体泄漏,提高热效率。而密封圈材料多为橡胶材料，为超弹性材料，这篇文章将通过abaqus对橡胶密封圈进行相应的仿真。

图1.活塞及密封圈

      本次仿真分为两部分：完整模型仿真及轴对称模型仿真。模型的结构如下图，活塞直径为30mm，高度为10mm，密封圈的直径为4mm(尺寸仅为仿真，没有按标准建模)。密封圈由于是橡胶材料，而活塞和活塞缸为金属材料，相对变形量较小，可以设置为刚体。而在画网格时，为了减小网格数量及计算量可只保留活塞、活塞缸与密封圈接触部分，具体见图2(活塞缸设置了一个折弯，使活塞缸向上运动接触时便于收敛)。然后在hypermesh中进行网格划分及材料属性赋予，其他操作在abaqus中完成。

图2.活塞、密封圈结构及简化

完整模型结构仿真

A.1材料设置

     将图2的网格360°扫掠，活塞及活塞缸网格类型为C3D8R，由于密封圈为超弹性材料，网格类型设置为C3D8H。

图3.完整网格模型

      超弹性材料具有不可压缩性，通常需要进行材料单轴、双轴拉伸试验确定本构模型，常用的本构模型有：Mooney-Rivlin、Ogden、Yeoh等。如果没有相关的试验设备，也可以通过测量材料的邵氏硬度HS来估算超弹性材料的弹性模量和本构模型，弹性模型的估算公式如下：

     而以Mooney-Rivlin模型为例，本构模型中的C10和C01的计算经验公式如下：

        本文参考《Abaqus超级学习手册》中的橡胶试验参数进行仿真，具体如下：

图4.橡胶材料的建立

      然后在材料管理界面，可以选择橡胶材料，然后进行评估：观察拟合曲线和输入试验数据的对比：

图5.材料拟合评估

      活塞缸及活塞就按普通结构钢材料属性进行赋予即可。

A.2约束设置

      由于缸和活塞需要设置刚性体，需要首先建立两个参考点。并且后面要提取约束反力，所以需要建立参考点的节点集，方便选取。然后对两个部件建立刚性体约束，其中刚性约束分别选择活塞、活塞缸单元集及相应的参考点。

图6.参考点

图7.活塞和活塞缸刚性体

A.3载荷步设置

     由于在仿真分析的时候涉及到橡胶材料的非线性变形，在载荷步建立时开启大变形，然后初始载荷步设置为0.01，最大载荷步为0.05。

图8.载荷步设置

      在输出方面，场输出和历史输出保持默认，然后再建立一个关于活塞缸参考点的历史输出，输出参考点的竖直(Y向)方向的力。

图9.历史输出设置

A.4载荷设置

       本次仿真中，将活塞固定(密封圈与活塞共节点)，在initial载荷步，选择活塞的参考点固定6个自由度；然后在活塞缸的参考点，基于step_1载荷步建立Y向位移约束。在建立位移约束时，需要进行幅值变化设置，如下图：表示0到1s，幅值由0变为11，为线性变化，表格中的幅值“1”代表了幅值比例，这样能够使仿真更好的收敛。

图10.载荷约束设置

A.4载荷设置     

      完成以上的设置后，提交计算，仿真计算结束后，取完整有限元模型的剖面图，动图如下：

图11.后处理动图

      同时提取活塞缸参考点的Y向载荷，具体如下，Y向载荷也就是代表着活塞运动的摩擦力(没考虑到重力影响)。

图12.参考点约束力

      由于整个模型为完全对称模型，采用完整结构的有限元模型计算时间太长，下一节，将会说明hypermesh-abaqus轴对称模型的前处理及仿真计算过程。