新颖的 2018-01-11王鹏博模态合住

1、概述

汽车制造业,橡胶材料的乐句无要求于生橡胶。,它指的是什么都可以与安逸力学财产证实的材料。。橡胶事实上是一种高分子多聚物(通常超越10万)。,缺席宁静材料的高回弹。,它也高价地超回弹材料。。

生橡胶源流于美国南方吹来的的挣开。,即三叶橡胶树,果皮被分割后,人工合成胶乳出现是生橡胶。。合成橡胶则是由不一样单体用化学效能办法凑合而成,刺桐烯单体、苯亚乙基、乙烯基氰、异丁烯、氯刺桐烯等多种,首要来自某处石油炼制厂。。

图1 橡胶巨大分子的长联动合适的构

橡胶的巨大分子是长联动合适的构。,这种分子建筑风格变软橡胶制品。、脆冷、难以从前的、易磨损、溶于有机溶剂,因而为了增大橡胶的机能,不得不对其停止硬化。。在必然的气温和压力制约,生胶与硬化剂的化学效能反应,橡胶巨大分子用完长链衔接从前的三维NE,类似地它具有较高的回弹。、热阻、抗张巨大和在有机溶剂说话中肯不溶性。。

图2 气黑在橡胶巨大分子上的吸附

橡胶通经用气黑加强。。气黑用完吸附橡胶分子和从前的吸引加强胜利;气黑颗粒它自己从前的两层电力网。,二级电力网而且橡胶分子-气黑粒子暗中的电力网在橡胶词的变形的进程中会发生违背与重构。因而在向橡胶中进入气黑后,,其拉长巨大、冷酷和耐磨强度聪明的增大。。

2、橡胶材料的力学机能

橡胶材料的力学机能可分为超回弹粘回弹两类。超回弹首数首要是低模量和高延展性。、非一次的应力-歪曲使成曲线与差不多不成紧缩性粘回弹首要体现为蠕变和应力宽松裤。、滞后特性、静态变软特性和气温效应

橡胶材料的超回弹机能

低模量和高延展性是最要紧和最要紧的物理学P。。图3是NR的应力伸长率使成曲线。,伸长率可达500%~1000%。。小S的杨氏模量(由使成曲线的突然转移话题表现)。这种高可推广性和低模量与金属材料恰恰相反,普通钢,杨氏模量约为200 GPa。,最大回弹伸长率约为10%或更低。。

图3 硬化橡胶类型拉长应力-伸长率使成曲线

鉴于低模量和高延展性。,橡胶在很小的应力下会发生崇高的词的变形。,并常关于大旋转。。

从图4所示的应力-歪曲使成曲线,R的非一次的特性。,因而除非在小歪曲漫游内。,杨氏模量普通不克不及精确地解释。。橡胶回弹与金属回弹的每一要紧分别是Ru。,橡胶材料的慢速装卸,整枝法常规路线和退子弹常规路线可以被以为是分歧的。,换句话说,在橡胶被去除后,橡胶C的词的变形。。

(a) 金属的应力-歪曲使成曲线

(b) 橡胶应力-歪曲使成曲线

图4 金属弹柔软性与橡胶非一次的回弹

橡胶材料的另每一首数是它的卷差不多不一致的。,其横向变形系数通常大于或超越。,非常奇特的途径极限的。。这目的由静水压力原因的词的变形途径0。,实现纯免职的有限元课题无法处理,必要特殊被加工处理。。

橡胶材料的粘回弹

静负荷,歪曲无时无刻间增进的景象。,称为蠕变。不一样材料或材料在不一样制约的蠕变,橡胶和宁静多聚物特殊聪明的。。始终如一的歪曲下应力无时无刻间减小的景象或进程,称为应力宽松裤,橡胶和宁静交联多聚物,用完许久,应力落下到必然的值。,但它通常弱减薄到零。。蠕变和宽松裤目的橡胶材料机能的减薄。

更迭效能下多聚物应力滞后歪曲景象滞后景象,如图5。因在滞后景象。,交变应力下,橡胶的回弹模量事实上是不正常的忧虑从前的。,真实比例高价地贮存模量,虚部称为虚部亏耗模量。亏耗模量与储能模量之比称为亏耗模数比。亏耗突然转移话题,也叫费用决定物或建筑风格消沉的系数。亏耗角突然转移话题事实上是每个时期的耗尽潜在能力之比。,它代表了橡胶材料的消沉的机能。。

图5 滞后景象

橡胶的黏性首数也体现出派恩效应。,橡胶静态力学机能的非一次的代理。换句话说,跟随歪曲振幅的增大,储能模量E减小。,亏耗模量E随歪曲幅值的增大而增大。、手脚能够到的漫游极值后落下。。

图6 储能模量和亏耗模量随歪曲幅值的转变

橡胶材料特性对气温敏感。跟随气温的促进,储能模量和亏耗模量值将使跌价。,如图7所示。

图7 气温对橡胶复合模量的撞击

3、橡胶材料本构相干

一次的回弹材料,应力可由小歪曲和回弹模量吸引。,这执意笔者所说的普遍的的Hooke诉诸法律。。但是,橡胶材料在受试时会发生很大的词的变形。,此刻小词的变形歪曲和回弹模量的乐句哪儿的话授予。像,单向紧缩橡胶试棒。,即使初始杨氏模量为1MPa,标称应力为1MPa,停飞普遍的的Hooke诉诸法律I计算的紧缩歪曲,换句话说,橡胶被紧缩到0。,这显然与实践状态不服从。。

橡胶材料,通常合适的绿色词的变形张肌C或格林歪曲张肌E来停止DESC。。歪曲能密度W精确地解释为格林歪曲张肌的行使职责。,应力可由歪曲能行使职责导出。,即

当心,这边的应力张肌S是次要的类p- K应力张肌。。

绿色词的变形张肌与格林歪曲张肌

就大词的变形成绩,绿色词的变形张肌C可以被精确地解释。,决定邻域内的词的变形情状。,X是词的变形后的使动作通过双方协议来计划或安排航向。,U是免职用无线电引导。,谈度量张肌。。

词的变形前后的卷比J是由C吸引的。词的变形情状也能找到的格林歪曲张肌E来决定。,这与格林词的变形张肌关系。

免职与免职的相干

小词的变形制约,疏忽这两个冠词。,格林歪曲张肌退化为小词的变形歪曲张肌。

一种经用的超回弹材料从前的

橡胶及其它超回弹材料,歪曲能密度行使职责可以表现为三I的行使职责。,

让笔者假定橡胶是不成紧缩的。,即I3=1,里夫林现在歪曲潜在能力行使职责表现如次

即使你只拿第每一冠词,就受理Neo Hookean从前的

常数C10=G/2,G是初始大剪刀模量。。

乍看起来使成为一体惊叹,精确地解释橡胶材料特性只必要单独禁闭回弹始终如一的G,而使用线回弹推测精确地解释材料特性却必要卷模量K和大剪刀模量G这两个互不中间定位的回弹常数。这是鉴于不成紧缩卷的假定。。从物理学角度,橡胶材料的卷转变与大剪刀词的变形比拟可以疏忽不顾。,换句话说,G/K极决不1。,大抵为10-4数量级,类似地,橡胶材料的应力但是用完大剪刀来决定。。

新胡肯
该从前的从前的简略。,它最大的优点是它只必要从TES中受理常数C。10,类似地,所需的测量法次数最少。。但也有缺点。,大歪曲与实践状态的分别太大了。,仅授予于歪曲<30%的状态。

形状(9)到次要的项。,就受理Mooney-Rivlin从前的 

穆尼Riv麟从前的是因为以下假定:

(1) 橡胶在词的变形前是不成紧缩的和均质性的。。

(2) 简略大剪刀由简略拉长和简略大剪刀叠加结合。。

式(10)中C10和C01主宰正定的常数。。就大块橡胶,C10/C01≈时,在歪曲150%内可以受理有理的近似值。。

穆尼-里夫林从前的已被普遍的认可。,但在稍微状态下能够过于僵化。,授予于小词的变形和媒质词的变形。。

Yeoh从前的高阶项用于核算歪曲能行使职责。,式如次

Yeoh从前的思索了我。1的高阶项,不一样实验说话中肯知识通过双方协议来计划或安排,在中到大词的变形漫游的模仿准确较高。

奥根从前的它同样每一经用的从前的。,它合适的绿色歪曲张肌三主轴和三个首要伸长率。1、λ2和λ3精确地解释歪曲能密度

奥格登从前的可以自在地调解连续数以适宜测量法知识。,但是,由不一样测量法决定的材料常数能够找错误COM。。

4、有限元模仿课题

超回弹材料的精确地解释

用电车运或零件震动剖析普通是因为一次的化假定的。,此刻,橡胶材料可以精确地解释为均质性一次的回弹体。,输出材料的模量可以是杨氏模量E。,它也可以是大剪刀模量G和横向变形系数。。当心,这边的模量一定是橡胶件的突然转移话题模量。,而找错误初始模量。;即使合适的免职单位,甚至橡胶同样完整不成紧缩的。,横向变形系数同样不成承兑的。,横向变形系数通常设置为以下

静巨大剖析,橡胶件应思索大词的变形。,它体现出崇高的非一次的。。此刻应将橡胶材料精确地解释为超回弹材料,在剖析中必要几何形状非一次的。

经用的非一次的有限元求解器,如ABAQUS、Marc、补充了NASTRAN的SOL400等。新胡肯、Mooney-Rivlin和Odgen等一种经用的超回弹材料从前的供用户选择。这些有限元软件也补充了实验知识试衣效能。。用户输出实验的名应力和名歪曲值,软件采取最小二乘方法计算材料常数。。软件可以婚配的测量法知识:

单轴拉长与紧缩

等轴拉长和紧缩

立体拉压

三轴拉长紧缩

为了增大拟态准确,实验应停飞能够的词的变形形成图案设计。。像,试棒在模仿中承袭紧缩装满。,笔者一定从单轴或双轴紧缩实验中搜集知识。,而找错误拉长实验知识。。在拟态剖析中,即使橡胶件的歪曲漫游较小,笔者只必要做中低歪曲实验。。

在实践汽车冠词利用说话中肯合适的,在很好的东西状态下,笔者只晓得橡胶材料E的初始回弹模量。,此刻,默许的橡胶材料不克不及被紧缩。,用Neo Hookean从前的精确地解释橡胶超回弹,常数C101/6设置为E

单元的选择

即使材料是不成紧缩的,该合适的在静水压力下弱发生什么都可以词的变形。,包装材料免职不克不及计算应力。。换句话说,不成紧缩材料,要不是纯免职单元不克不及处理。。

当材料不成紧缩或差不多不成紧缩时(横向变形系数),应采取混合动力机组。。混合单元收录每一附加的自在度,它可以直接地,包装材料免职用于计算歪曲时滞或应力时滞。。

Abaqus的私生子是由字母H引人注目的。,像,六面体的实心的元素C3D8的私生子对应于。

以任何方式引入可紧缩性

橡胶事实上是不成紧缩的。,找错误完整不成紧缩的。,偶然笔者也必要思索它的可紧缩性。。此刻,可以将卷歪曲能添加到歪曲能D中。。

像Abaqus说话中肯Neo Hookean从前的和Moony-Rivlin从前的的卷歪曲能项为如次从前的:

当选D1=2/K,K是初始卷模量。。即使材料是完整不成紧缩的,而且D1设置为0。

Abaqus中奥根从前的的卷歪曲能则使用由2字以上组成的学名赠送

当选D1=2/K,K是初始卷模量。。即使材料是完整不成紧缩的,全Di设置为0。

粘回弹模仿

在Abaqus中*
粘回弹关键词
补充了使富有的粘回弹模仿行使职责,可以精确地解释蠕变和应力宽松裤的时域首数,它也可以被精确地解释。歪曲滞后的频域特性,你也可以输出时期和气温参量。,以精确地解释橡胶粘回弹的时期-气温效应。具体操作请提及ABAQUS手册。,本文将不作精细的绍介。。

因为NASTRAN的静态剖析是一次的剖析。,材料的粘回弹不克不及直接地精确地解释。,但是,RUBB的滞回特性原因的潜在能力耗尽。此刻,应思索橡胶的行动迟缓的特性。,在类似的MATI卡GE场中橡胶材料的输出亏耗决定物。。

5、小结

1)
橡胶超回弹首数首要是低模量和高延展性。、非一次的应力-歪曲使成曲线与差不多不成紧缩性;粘回弹首要体现为蠕变和应力宽松裤。、滞后特性、Paybe效应与气温效应。

2)
橡胶及其它超回弹材料,歪曲能密度通常被精确地解释为绿色歪曲T的行使职责。,歪曲能密度行使职责用于词源格林应力张肌。

3)
罕见的橡胶超回弹本构相干从前的有新胡肯、Mooney Rivlin与奥根,当选穆尼-里夫林从前的已被普遍的认可。。

4)
即使橡胶材料是不成紧缩的或差不多不成紧缩的(泊松),在有限元剖析中应采取混合动力机组。模仿。

5)
一次的动力学剖析通常不克不及直接地精确地解释粘回弹力学。,但是,RUBB的滞回特性原因的潜在能力耗尽,此刻,应思索橡胶的行动迟缓的特性。。

创作出版

王鹏博,清华大学力学博士,汽车建筑风格CAE剖析专家。重庆省科学技术协会会员、计算机辅助工程搭伴慎重的、交通部冠词评价专家。汽车扭伤忍耐/ NVH/冲击力停止工作机能的专业范畴,轿车车身建筑风格的使最优化与轻数字化,进程自动化的CAE剖析等。。

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