ANSYS workbench橡胶护套的非线性静力学分析

本文摘要（由AI生成）：

该案例展示了一个橡胶套密封件的非线性静态结构分析，包括几何非线性、非线性材料行为和状态非线性。该案例的目的是展示surface-projection-based接触方法的优点，并确定橡胶护套密封件的位移和应力结果。文章详细介绍了如何设置模型、定义单位系统、添加圆柱坐标系、定义Remote Point、定义Named Selections、设置接触关系、分析设置、边界条件设置、添加Remote Displacement、解决方案和查看结果。非线性计算的精髓主要在接触的设置，需要不断修改接触算法等参数。

该案例来自Mechanical Tutorials Chapter 2: Nonlinear Static Structural Analysis of a Rubber Boot Seal。该橡胶套密封件示例显示几何非线性，非线性材料行为（橡胶）和状态非线性（接触）。该示例的目的是显示surface-projection-based接触方法的优点并且确定橡胶护套密封件的位移和应力结果。

1.打开静力学模块，导入模型

2. 编辑材料

点击Click here to add new material，输入Rubber Material，在左侧Hyperelastic栏下双击Neo-Hookean，在Initial Shear Modulus栏下输入1.5，在Incompressibility Parameter D1 Value栏下输入0.026.

3.定义单位系统

选择如图的单位系统

4.设置模型

设置Surface Body的厚度为0.01mm，并定义为刚体，Solid设置材料为Rubber Material。

5. 添加圆柱坐标系

Type 选择为Cylindrical，Coordinate System选择为Manual，在Origin中Define By 选择为Global Coordinates，XYZ的值都为0。Principal Axis 中Axis选择Z，Define By选择为Global Y Axis，Orientation About Principal Axis中Axis选择为X ，选择Global Z Axis，并重新命名为Cylindrical Coordinate System。

6. 定义Remote Point

右键model，插入Remote Point。Geometry中选择圆柱表面，X Coordinate, Y Coordinate和Z Coordinate都设置为0，Behavior设置为 Rigid。

7. 定义Named Selections

（1）选择圆柱面，右键Named Selections，并重新命名为Cylinder_Outer_Surface。

（2）选择橡胶圈的所有内面，右键Named Selections，并重新命名为Boot_Seal_Inner_Surfaces（此处一共24个面）。

（3）选择橡胶圈的所有外面，右键Named Selections，并重新命名为Boot_Seal_Outer_Surfaces（此处一共27个面）。

8. 设置接触关系

（1）选择Frictional接触方式，Scoping Method设置为Named Selections，Contact设置为Boot_Seal_Inner_Surfaces，Target设置为Cylinder_Outer_Surface，Target Shell Face设置为Top，Frictional Coefficient Value输入0.2，Set Behavior设置为Asymmetric，Detection Method设置为On Gauss Point，Interface Treatment设置为 Add Offset, Ramped Effects。

（2）还有两个是自接触，具体的参数这里就不赘述了，直接上图

9. Analysis Settings

Number of Steps设置为3，Auto Time Stepping设置为On，Define By设置为 Substeps，Initial Substeps和Minimum Substeps 设置为5，Maximum Substeps设置为1000，Large Deflection设置为On。

分别设置第2步和第3步，如图：

10. 边界条件设置

在Supports中选择Displacement，Geometry中选择橡胶套密封的两个侧面，Coordinate System设置为Cylindrical Coordinate System，Y Component设置为0。

还有两个Displacement如下图设置：

添加Remote Displacement，Remote Point设置为Scoping Method，Remote Point中选择Remote Point，设置X Component, Y Component, Z Component, Rotation X, Rotation Y和 and Rotation Z为Tabular，在右侧的Tabular Data中Y的第2步和第3步设置为-10，RZ中第3步设置为0.55 rad。

11. Solution

添加Total Deformation，Equivalent (von-Mises)，Equivalent (von-Mises)，在Geometry中橡胶套，并提交计算。

12. 查看结果

非线性的计算时间一般都比较长，需要耐心等待。如果出现不收敛，可修改网格尺寸。在计算中，我使用了默认的网格划分，计算出现不收敛，后来把网格尺寸改成1mm后计算收敛了。

小结：非线性计算的精髓主要在接触的设置，对于复杂模型，需要不断的修改接触算法等参数，这就需要对接触的深刻理解以及非线性分析的经验。关于接触，目前个人觉得讲的非常好的是周炬老师的书（前面小鲸鱼已经介绍过很多次），再者就是可以去参考帮助文档（最近笔者也一直在看帮助，收获很大）。PS：非线性的计算常常需要消耗很长时间，而且还会经常失败，这就很考验分析人员的意志力，大家可以搞搞自己的兴趣爱好的啥的，我比较喜欢在群里聊天，周炬老师的书上有一个交流群，大家可以进群聊聊技术，吹吹牛啥的，哈哈。