垫片是大多数结构组件中必不可少的部件。垫片作为结构部件之间的密封部件，通常非常薄，垫片可以是钢这样的弹塑性材料，也可以是橡胶这样的超弹性材料，也可以是其他复合材料，在软件中，垫片被假设为率不相关的。从力学的角度来看，垫片的作用是在配合部件之间传递力。垫片材料通常处于压缩状态。受压材料表现出高度非线性。垫片材料也表现出相当复杂的卸载行为。垫片的主要变形通常局限于一个方向，即厚度方向。膜（平面内）和横向剪切的刚度要小得多，并且可以忽略不计。

垫片的一个典型例子是在发动机组件中。对垫片的透彻了解对于发动机设计和运行至关重要。这包括了解垫片组件本身在发动机运行中的行为，以及垫片与其他组件的相互作用。

垫片安装时，垫片的两面受到压强作用，压强越大，压缩量就越大，通常用闭合量表示被压缩的尺寸。压强加载过程中，闭合量呈现非线性变化。

不同情况下卸载，卸载路径也不同，用户可设置多条卸载路线，在它们之间的卸载工况，软件将通过插值计算。如果用户不设置卸载路线，卸载将完全按加载路线进行卸载。垫片的永久变形是可以增加的。

本着实践出真知的精神，垫片的设置将通过以下一个最简单实例详解如何设置，在实例步骤中穿插总结技术要点。

实例1，垫片分析

Step1 建模。

垫片只适用于三维实体结构分析，而不适用与2D分析等。

建立静力学分析项目，使用DM或SCDM建立上图模型，两侧实体长宽高均为30mm，中间垫片长宽30mm，厚2mm，总共3个实体。想必建这种简单的模型对大家来说都是小菜一碟了。

Step2 设置材料数据。

垫片的材料属性不能与其他非线性材料本构混合使用，即同一个材料内设置了垫片属性后，就不能添加其他非线性材料本构了。

在Wokbench的工程数据中，创建一个垫片的材料，材料数据中需要含有上文所述的压强——闭合量的曲线数据，以及卸载曲线，具体操作如下。

双击项目的工程数据栏，进入工程数据设置页面。新建材料命名为GK，将左侧工具箱中的垫圈——垫圈模型本构拖入到GK中，设置温度22℃。

按下图设置压强——闭合量数据，本处数据不多，请大家自行输入，就不做网盘链接了，注意此处压强单位为Pa。

在左侧工具箱的垫圈—附加数据中选择卸载选项，线性卸载是定义几个卸载斜率来适应卸载行为的简单方法；非线性卸载提供了一种更全面的方法来定义垫片材料卸载行为，每一条卸载路线需要输入多个点坐标，这些点的连线便是非线性卸载路线。本例设置为线性卸载。

Step3 设置垫片行为。

在Machanical中，将所需实体设置为垫片，即在模型中的实体的属性栏中，将刚度特性选项设置为垫圈（Gasket），并赋予刚才设置的材料。设置完成后实体下将出现网格控制选项。

此外本例使用默认的接触设置，即两侧实体与垫片的两面均为绑定接触。

Step4 网格控制。

点击垫片实体下的网格控制，网格类型使用默认选项”四边形/三角形“。网格方法被强制为扫掠，Src/Trg选择默认为”手动源“，可选项有”手动源和目标“，这里不做解释，不懂的请看《呕心沥血总结Ansys Workbench网格控制之——全局网格控制》一文。本例使用默认设置，选择垫片受压的任意一面作为源面，另一面将被软件自动设置为目标面。单元的阶也使用默认的全局设置，用户可手动设置是否带中节点。

垫片使用特殊的界面单元划分网格，该单元有以下特点：

（1）厚度方向上只有一层单元。

（2）厚度方向始终没有中间节点。

（3）垫片单元的中面位置用于数值积分（和一般的连续性单元不同）。

设置完垫片网格控制后，对全局网格进行设置，此例均使用默认设置。

Step5 边界条件设置。

固定模型的一端面，对另一端面施加压力，将载荷分为2步，第一步从0~600MPa，第二步卸载。自动时步使用软件默认的”程序控制“。

Step6 求解与后处理。

点击求解。稍等片刻求解完成后添加后处理：垫圈——法向垫圈压力、法向垫圈总闭合。

对应结构的图表我们只勾选最大值（为了使结果更明显）。

添加法向压力与总闭合的图表，不显示时间，横坐标显示法向总闭合最大值，纵坐标显示法向压力最大值。不显示总闭合的最小值和压力的最小值。如果觉得计算的点太少，读者可自行分子步。

可见卸载后，垫片残留了部分闭合量（变形），这是因为我们在工程数据中设置的材料卸载特性决定的，如果我们在垫圈材料的卸载特性中设置恢复到最初形变，便不会残留变形。

至此，图惜所会的非线性材料已经全部总结完。下一篇将开始解读非线性本构中的状态非线性，敬请关注。

由于图惜实践经验实在有限，文中也难免纰漏百出，敬请批评指正。

[1]《ANSYS Mechanical非线性材料的定义和仿真系列课程》——安世亚太  苏睿

[2] ANSYS 2022帮助文件