Abaqus 超弹性材料(10)-隐式与显式的比较-压缩测试
本文通过一个简单压缩测试示例，比较 Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit 在超弹性材料分析中的差异性。
1. 问题描述
如图所示，中间圆柱是标准测试橡胶件，上下底面半径为14.3mm，高 12.7mm。使用刚性板压缩橡胶件，压缩量为6.35mm（压缩率为 50%），比较Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit 的计算结果。
由于模型呈轴对称，因此在 Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit 中均使用轴对称模型。有限元网格如下图所示。
2. 前处理对比
内容 | Abaqus/Standard | Abaqus/Explicit |
材料 | 使用 Treloar 橡胶材料测试数据，并使用 3阶的 Ogden 超弹性材料模型进行拟合。为减轻超弹性材料模型的体积锁定，并确保 Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit 模拟超弹性材料时具有一致的压缩性，定义泊松比为 0.49 | |
分析步 | 通用静态分析步，初始时间增量 0.1 | 显式动态分析步（准静态分析），时间周期 0.01s |
接触 | 刚性板与橡胶件的摩擦系数定义为1.0 | |
边界条件 | 下刚性板固定； 上刚性板使用斜坡(Ramp)幅值曲线施加强制位移 6.35mm | 下刚性板固定； 上刚性板使用平滑步(Smooth step)幅值曲线施加强制位移 6.35mm |
单元类型 | CAX4H 轴对称四节点混合单元 | CAX4R 轴对称4节点缩减积分单元（除了 C3D4H 单元之外，Abaqus/Explicit 不支持其他任何混合单元） |
3. 结果对比
3.1 力-位移曲线
通过 Abaqus/Standard 和 Abaqus/Explicit 计算得到的力-位移曲线完全重合，且最大压缩力相同。
3.2 应力云图
通过对比应力云图可以发现，Mises 应力、S22 应力和静水压力的分布非常相似。其中，Mises 应力与 S22 应力的最大值相差极小；而静水压力的最大值则存在一定差异，Abaqus/Explicit 的值比 Abaqus/Standard 高出约 10%。
3.3 应变云图
与应力云图的结果相似，最大主应变云图与 LE22 应变云图的分布基本一致。
3.4 位移云图
位移云图的分布同样基本一致，最大位移值仅相差0.12%。
4. 结论
对于超弹性材料的分析，Abaqus/Standard 与 Abaqus/Explicit 的结果表现出良好的一致性。对于常规问题，通常 Abaqus/Standard 有更高的求解效率。当使用 Abaqus/Standard 方法在高压缩率分析中遇到收敛问题，或由于复杂的接触条件导致无法收敛时，可以考虑使用 Abaqus/Explicit 进行分析。然而，需要注意的是，在使用 Abaqus/Explicit 时，材料必须具有可压缩性，无法模拟完全不可压缩的情况。此外，高体积模量会降低超弹性材料的稳定时间步长，进而显著增加计算成本。
