轮胎结构设计CAE工业软件SuperTire:(6)内埋膜复合材料建模
一、简介
纤维增强复合材料由基体包裹住纤维构成,但由于基体与纤维的尺寸差距较大,若构建详细的纤维结构会使得模型自由度大幅度增加,因此需要对其进行均匀化建模。二、均匀化建模
均匀化建模方法分为宏观实验均匀化、宏观几何均匀化、与细观计算均匀化三种。若构建实验均匀化模型,如横观各向同性模型,则需要大量的实验去测试本构数据。若构建细观均匀化模型,如RVE模型,则需要大量的有限元计算。而几何均匀化模型,如内埋膜模型,只需要对基体和纤维分别进行本构试验,实验次数少,而且将纤维的细节均匀化为膜结构,有限元计算量也较少。 对轮胎结构,将一层纤维(帘线或钢丝)等体积为一层膜结构。采用超弹性本构模型模拟基体橡胶材料,采用正交各向异性大变形模型模拟膜结构。
图2 内埋膜模型推导
在膜与基体的界面处,保证位移相等:
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由拉格朗日乘子法将位移附加方程施加到系统的总势能上,即:
对势能泛函求变分,线性化,离散化,得到系统的代数方程组,由牛顿拉普森方法迭代求解。算例验证:内埋膜模型与精细模型对比,位移误差小于1%,验证了此建模方法的有效性。
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图 3 拉伸试件:120mm×20mm×10mm
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图 4 精细模型:15万实体单元
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图 5 内埋膜模型:160个实体单元、160个膜单元
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图 6 纤维位移对比
图 7 基体 位移对比