用ABAQUS软件分析橡胶堆的性能

1、用 ABAQUS 软件分析橡胶堆的性能王明星、黄友剑、林胜(株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲, 412007摘要:随着橡胶堆支座在桥梁结构中的广泛应用,人们对橡胶支座的性能 研究也愈来愈深入, 本文以美国 HKS 公司开发的大型有限元软件 ABAQUS 软 件为平台,讨论如何完成橡胶堆产品的有限元分析。并比较有限元分析与常规 计算的优劣。关键词:有限元、橡胶堆、 ABAQUS ,隔振。一. 引 言橡胶堆结构是橡胶与刚板相互交错的叠层结构,这种结构是减、隔振装置 中最常用的结构之一,对于一个隔振系统要取得好的隔振性能,关键取决于隔 振装置的力学特性。而要保证设计的产品有良好的力学特性,设

2、计前的产品性 能分析是必不可少的。采用常规的计算方法求解时,往往会伴随一些假设,这 会降低结果的准确程度。 而相比之下, 根据有限元理论, 利用有限元软件求解, 就会大大提高求解的精度。同时也有助于我们获得结构中更多的信息。本文将 利用美国 HKS 公司的大型有限元软件 ABAQUS 软件分析橡胶堆产品的力学性 能。二. 分析过程2.1问题描述橡胶堆产品在工作状态下主要承受垂向压力和水平的剪力作用。产品的结 构简图如图一所示: 图 1 产品结构简图2.2 分析步骤在对产品进行有限元分析时,一般分以下几个步骤进行。步骤一:建立有限元模型:根据产品的尺寸形状, 建立有限元模型如图二所示。 划分网格

3、时,对于橡胶部分,考虑到橡胶材料的不可压缩性,采用三维八结点 杂交单元 C3D8H 来模拟; 对于钢板部分, 采用三维八结点实体单元 C3D8来模拟。 图 2 产品有限元模型图步骤二:定义材料性质橡胶材料:橡胶是一种超弹性材料,对于超弹性材料,不用杨氏模量和泊 松比,而用应变势能(U 来表达应力应变关系。 ABAQUS 软件中有两种应变 势能可利用, 分别是多项式模型和奥根 (Ogden 模型。 本例中使用多项式模型, 表达式如下:=+= +=NjiNii elij iijj DiiCU11 22 11 ( 13( 3 (式中:U 应变势能Jel弹性体积比I 1 、 I2应变不变量Di定义材料

4、的压缩性Cij Rinvlin 系数本例中取 N=1,本产品所用胶料硬度为邵氏 60,以橡胶材料的单轴拉伸, 单轴压缩和平面剪切实验数据为依据,并考虑到橡胶的不可压缩性,输入方程 各系数值如下:C 01 =0.36,C10=0.09, D=0钢材料:钢材料作为弹性材料我们采用弹性模量和泊松比描述其性能。EX (弹性模量 =200000MPa(泊松比 =0.3注意事项 :橡胶的特性十分错综复杂,橡胶的材料特性和几何特性都是呈非线 性变化的。如果要准确的预测模型中发生变形或应变部分的行为,那么,提供 的试验数据的范围要涵盖计算模型中可能会出现的变形形式和应变范围。 步骤三:加载并求解加载时, 模拟

5、实际工况, 橡胶堆底面固定, 在上表面分别施加载荷 :FZ=98KN, FY=1.73kN, FX=1.41kN。然后,采用波前求解法,求解得出最终结果。步骤四:结果分析结果分析是有限元分析的关键步骤之一,这一步中分析员首先要判断分析 的质量,根据分析质量的好坏来决定是否需要重新分析。如果分析质量可以满 足要求,那么下一步就要根据产品的实际工作要求,在分析结果中提取感兴趣 的数据进行分析。本次分析通过比较刚度结果来判断分析质量。并提取橡胶部分的 Von Mises 应力的结果作为下一步分析的对象。1、刚度结果有限元分析的刚度结果与常规计算结果 1及实验结果的对比情况如下表所 示(刚度的单位为

6、kN/mm 。方向常规 计算 有限元分析实验Z 向Y 向X 向表 一从表一来看,与常规计算结相比较,有限元分析的结果更接近实验值。所 以,有限元分析得到的结果更具有参考价值。从表一我们也看出,有限元分析 结果与实测结果仍有一定的误差,其中, X 向刚度的误差值与实测值的比值最 大,为 7.14%,这个值在工程许可的范围内。因此,分析结果是可信的。针对 产生误差的原因,我们分析可能有如下几个方面。a 、 测量操作的本身有一定的误差。b 、 计算过程中模型的简化,材料参数的选择,亦是造成误差的原因。c 、 在对连续的结构做离散处理时,亦会产生一定的误差。2应力结果与常规计算相比较,利用有限元软件还

7、有一个明显的优势,利用有限元软 件分析产品性能时,可以得出产品的各部分的应力及应变结果。这对判断产品 结构是否合理,是否存在应力集中很有帮助。因为橡胶堆产品主要是橡胶部分发生破坏。所以分析应力结果时将橡胶部 分的应力水平作为重点分析对象。因篇幅所限,本文只给出橡胶在垂向(Z 向 发生变形时, 橡胶部分的 Von Mises 应力分布云图, 垂向变形时的应力分布 图如图三、图四所示。 图 3 橡胶部分应力云图 图 4 单层橡胶上的应力云图由上图看出,橡胶堆产品的应力云呈层状分布,而且橡胶与钢板联接的倒 角处的应力云图的颜色最深,亦即,此处的应力值最大,最大 Mises 应力值为 1.691MPa

8、 。因此,要降低整个橡胶部分的应力水平,首先就要降低倒角处的应 力水平。为此,我们又分析了橡胶堆发生垂向变形时,倒角处的应力值随倒角 半径的变化情况。分析结果如图五所示。 图 5 倒角处应力随半径变化曲线Home 由上图可以明显的看出,倒角处的应力对倒角半径的依赖性很强,开始阶 段,随着倒角半径的增加而应力值迅速减少,而后随着半径的继续增加,应力 值的减小速度趋缓. 根据设计要求与图五所显示的结果我们将倒角半径改为 7mm, 此时的 Mises 应力的最大值 1.2MPa 左右, 这个应力值小于橡胶在短时间冲击载荷下的许用应 力值.通过调整结构尺寸,垂向变形时,产品的应力水平可以满足使用要求. 三. 结论 通过以上的例子可以看出,与常规计算相比较,利用有限元软件对产品进 行分析计算,对调节产品的刚度,强度性能,以及提高产品使用寿命都更加有 利.而且,随着人们对产品设计的合理性,科学性的要求的不断提高,有限元 分析作为一种重要的分析手段,在产品设计中的所起的作用亦会愈来愈大. 四. 参考文献 1. 2. 桥梁减隔震设计,范立础,王志强,人民交通出版社,2001