橡胶轮胎有限元分析解决方案
早在20世纪70年代,橡胶制品的有限元分析已经成为橡胶制品设计者的主要设计手段,一些商业化的非线性有限元软件MARC、ABAQUS、ADINA等被用来对橡胶制品进行辅助分析。世界上一些著名的科研机构和生产橡胶制品的公司开始对橡胶制品进行有限元分析,以提高橡胶制品的质量。其中包括英国的MERL公司,欧洲的RAPRA公司,美国的PSP公司,HLAi Engineers公司,英国TUN ABDUL RAZAK研究中心的橡胶材料咨询中心,Akron橡胶研发实验室等以及世界上一些著名的轮胎公司都在橡胶制品的有限元分析方面有非常成熟的研究。有限元分析技术已经广泛应用到生产中,并且在产品研制中发挥着重要作用。
我国橡胶制品的有限元分析起步较晚,但随着国外大型有限元软件引入我国,国内的一些高校和科研机构已经开始对橡胶制品进行有限元分析。 橡胶材料能承受大应变而不会发生永久性的变形和断裂,这使得它广泛地应用在轮胎、减震器、密封件、软管、皮带、结构轴承等领域,而这些产品主要应用于准静态和疲劳应变的环境下,所以橡胶产品的疲劳寿命是检验产品质量是否合格的主要指标。对于橡胶类产品,目前主要是通过疲劳试验来确定其疲劳寿命,然而这种方法具有成本高、周期长的特点,很难对各类型产品都进行疲劳寿命试验。
1、橡胶材料本构模型
橡胶材料不同于金属材料仅需要几个参数描述其材料特性,橡胶的行为复杂,材料本构关系是非线性的。其力学行为对温度,环境,应变历史,加载的速率都非常敏感,这样使得描述橡胶的行为变得更为复杂。对于各向同性的体积不可压缩或体积近似不可压缩的橡胶材料,其非线性弹性特性用超弹性模型描述。人们为了表征橡胶材料的超弹性本构模型已经做了大量的工作,这些工作可以归纳为两大类:一类是根据统计热力学而进行的尝试;另一类则是把橡胶材料作为一个连续介质的唯象理论。几种常见的本构关系模型包括:多项式模型、Mooney-Rivlin模型、减缩多项式模型、Neo-Hookean模型、Yeoh模型、Ogden模型、Vander Waals模型等。
2、橡胶产品大变形分析
橡胶材料是一种典型的超弹材料,具有明显的大变形、大应变及高度非线性的力学特性,因此在对橡胶产品承载过程的计算机模拟分析中,往往会因大变形导致橡胶单元网格出现严重扭曲,从而导致程序收敛失败使计算模拟过程无法进行。因此橡胶模型网格布局、网格重划以及准静态求解技术在橡胶产品大变形分析中的应用成为行业研究的热点重点问题。
3、橡胶产品疲劳仿真分析
对于橡胶类产品,目前主要是通过疲劳试验来确定其疲劳寿命,而这种方法具有成本高、 周期长的特点,很难对各类型产品都进行疲劳寿命试验。目前采用Abaqus+FE-safe联合仿真平台下进行橡胶疲劳寿命的方法。
4、橡胶夹层的断裂分析
金属、塑料、复合材料等和橡胶粘结成一体的防振橡胶由于机械载荷的作用及外部环境的影响,经常发生由粘接界面破坏而导致结构的失效。借助有限元和断裂力学分析,对橡胶夹层粘接界面的破坏机理进行研究,已成为橡胶行业的一个热点课题。
5、在轮胎分析中的应用
轮胎是汽车的重要组成部件,其主要功能是支撑载荷,向地面传递制动力、驱动力和转向力,以及缓冲减振。轮胎对汽车的性能具有十分重要的影响,它不仅影响汽车的行驶性能、经济性和平顺性,而且影响汽车的环保性能和运输效率。
在近三十年来,随着有限元技术的不断发展,有限元已经成为子午线轮胎结构分析和设计的主要手段,并且结构分析日益精细化,且逐渐减少或替代了相关实验。但是,轮胎的CAE分析是一个非常复杂的问题,轮胎本身具有非常复杂的截面组成;组成轮胎的橡胶材料、增强钢丝等存在典型的非线性行为,同时轮胎的分析涉轮胎与路面,胎面与胎体等等复杂的接触行为。作为非线性分析的高端有限元软件,ABAQUS针对轮胎的CAE分析的特点,发展了一整套解决方案,具有广泛的客户群和成熟的流程化模拟数据。