直播培训：ABAQUS超弹性材料橡胶大变形收敛性案例讲解（仅限10名）

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导读：橡胶材料由于其独特的物理和化学的特性（如超弹性，粘弹性且柔软性、耐磨性、绝缘性和阻隔性等），使得其在工程上得到了非常广泛应用，这一点在汽车行业尤为明显。纵观过去近200年的历史，硫化橡胶的诞生直接推动了汽车革命。如今在我们的汽车中，橡胶制品早已是“汽车的半条命”。

就拿我们常见的桑塔纳轿车来说，其就拥有270多个橡胶密封制品，而这些橡胶组件的性能直接决定了汽车的性能和安全。

橡胶材料是一种典型的超弹材料，其在受力过程中可以看作只有形状改变而其体积几乎无变化的不可压缩性物体，同时还伴随着几何非线性和物理非线性。因此，对橡胶材料的相关仿真计算的难度相对较大一些。前不久，笔者在仿真秀平台做了一期公开课《基于ABAQUS超弹性材料橡胶制品的仿真案例-橡胶柱的压缩实验模拟》感兴趣的朋友可以去仿真秀官网搜索。

一、有限元分析的非线性问题

首先，我们回顾一下有限元仿真分析中的非线性类型：

1、边界条件的非线性：即边界条件在分析过程中发生变化。接触问题就是一种典型的边界条件非线性问题。它的特点是边界条件不能在计算的开始就可以全部给出，而是在计算过程中确定的，接触物体之间的接触面积和压力分布随外载荷变化。

2、材料的非线性：即材料的应力应变关系为非线性。

3、几何的非线性：即位移的大小对结构的响应发生影响，包括大转动、大位移、几何刚性化等问题．

在橡胶制品的仿真分析过程中，以上三种非线性类型均有涉及，如果分析设置不当，极其容易导致求解困难，特别是对变形复杂（比如和多个不规则边界接触、变形很大等）情况。这样一来，如何实现橡胶制品大变形的仿真便成我们较为关心的问题。

二、橡胶柱的压缩试验的仿真分析过程

下面以对橡胶柱的压缩试验的仿真分析为例，简述一下针对橡胶大变形仿真过程中需要注意的几点：

图1 理想与现实的差距

1、模型的简化

对于一个工业数模，常常需要进行一些合理的模型简化，但不可过度简化。例如上图中的橡胶柱压缩试验的仿真中，对上下金属板的采取不同的处理方法，其计算的收敛性有较大的不同

图2 左侧考虑金属板；右侧未考虑金属板

2、接触与约束的设定

通过修改接触与约束的相关参数可以使分析计算更容易收敛，但是需要注意分析模型与实际试验的拟合度。例如图3所示，左边为考虑硫化工艺，在金属与橡胶的接触面上设置为绑定约束，右图直接设置为接触摩擦约束，虽然分析更容易收敛，但是其与实际的试验情况不相吻合，分析误差较大。

图3 不同接触与约束参数对仿真的影响

3、网格参数的设定

① 网格尺寸的选择

有限元网格的分布形式也影响橡胶弹性特性预测的精度。较细的网格单元收敛速度缓慢，且容易发生单元体积锁死，而太粗的网格会影响计算的精度。通常在进行初始网格划分时．需特别注意大变形区的网格形态，开始尽量采用粗网格划分。以降低分析的复杂程度。然后根据问题的类型和分析结果进行网格重划分，尽可能使网格发生大变形后仍具有良好的单元几何形态。