橡膠一詞來源于印第安語“cau-uchu”，意為“流淚的樹”。在當(dāng)初發(fā)現(xiàn)天然橡膠的時(shí)候人們只是把這種材料做成橡皮擦。然而隨著工藝的進(jìn)步，各種各樣的橡膠都被人們開發(fā)出來。在當(dāng)今的工業(yè)界，橡膠材料正發(fā)揮越來越重要的作用。從航空航天到機(jī)械電子，從軍工產(chǎn)品到日常消費(fèi)品，我們都能見到它的蹤影。
達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA作為多學(xué)科和多領(lǐng)域的科學(xué)計(jì)算和工程仿真提供了軟件平臺。對于達(dá)索產(chǎn)品，第三方產(chǎn)品和客戶自己的應(yīng)用程序，它具有開放的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)。SIMULIA的求解器，應(yīng)用程序和定制的解決方案將建立在開放，可擴(kuò)展，可定制的PLM平臺之上。它基于公用的數(shù)據(jù)定義，共享的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的力學(xué)技術(shù)，利用統(tǒng)一的有限元模型模擬多種工程問題。
本文將介紹在汽車橡膠彈性元件的設(shè)計(jì)中如何使用SIMULIA品牌的Abaqus和Fe-safe軟件來幫助我們的設(shè)計(jì)工程師快速有效地評估橡膠彈性元件產(chǎn)品。
前言
汽車橡膠彈性元件主要用于減緩汽車行駛時(shí)振動和降低噪聲，改善汽車操縱穩(wěn)定性，安全性和舒適性，其必須滿足以下的基本要求：
支撐功能-靜態(tài)剛度
減振要求-動態(tài)剛度
耐久要求
這三個(gè)方面是相互矛盾和制約的關(guān)系，隨著對車輛的操控和隔振要求不斷提高，對橡膠類元件的要求也在不斷提高。以下是兩類典型的汽車上所使用的彈性元件：
底盤襯套
懸置用于減少并控制發(fā)動機(jī)振動的傳遞，并起到支承作用的汽車動力總成件。當(dāng)前廣泛使用的懸置分為傳統(tǒng)的純膠懸置，以及動、靜態(tài)性能較好的液壓懸置
底盤襯套用于底盤各個(gè)桿件之間的連接，并且可以有效改善從面?zhèn)鱽淼母哳l振動和整個(gè)懸架的KC特性，提高底盤元件的使用壽命。
所以在設(shè)計(jì)此類產(chǎn)品中，通常需要仿真軟件來計(jì)算和評估產(chǎn)品的性能。
橡膠彈性元件仿真問題及難點(diǎn)
橡膠材料的復(fù)雜特性
材料的本構(gòu)關(guān)系的選擇會影響到最終所計(jì)算得到的結(jié)果，比如某些本構(gòu)模型只能在小應(yīng)變情況下與測試值符合較好，而在大應(yīng)變時(shí)差距就會比較明顯。而仿真結(jié)果的準(zhǔn)確又依賴于材料模型，所以更準(zhǔn)確的模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠幫助用戶得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。
橡膠材料的動態(tài)特性取決于配方和實(shí)際環(huán)境，這些復(fù)雜的因素仿真橡膠材料所時(shí)往往不能全面考慮到，所以計(jì)算結(jié)果需要小心地去甄別和處理。
橡膠的疲勞預(yù)測是公認(rèn)比較難以解決的問題，雖然人們建立了許多理論模型和準(zhǔn)則，但預(yù)測的結(jié)果往往更依賴于人們的經(jīng)驗(yàn)。
橡膠材料仿真的難點(diǎn)
由于橡膠材料的可變形量范圍特別大，所以有限元的模型經(jīng)常會出現(xiàn)不收斂的情況，這樣也就得不準(zhǔn)確的應(yīng)變情況。
橡膠材料的仿真是一個(gè)材料和幾何非線性的分析，單元的類型也是不同于常規(guī)，并且需掌握的材料知識，力學(xué)和疲勞知識等多學(xué)科的知識，對工程師提出了比較高的要求。
在仿真的過程中，工程師還需要合理布置網(wǎng)格，優(yōu)化局部網(wǎng)格的密度需要工程師有多年產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。
ABAQUS在計(jì)算橡膠彈性元件動靜剛度的案例
當(dāng)前，憑借著ABAQUS軟件強(qiáng)大的功能，工程師們可以輕松對橡膠彈性元件進(jìn)行CAE仿真。下面介紹如何在ABAQUS對如下模型進(jìn)行動靜剛度的計(jì)算。
橡膠襯套模型
定義材料
為橡膠材料選擇hyper elastic 屬性和viscoelastic屬性。Abaqus支持的應(yīng)變能函數(shù)很多，也能通過用戶子程序自己定義。并且可以輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行擬合，通過Evaluate功能來比較哪種材料模型與實(shí)測數(shù)據(jù)相匹配。
定義單元類型
在Abaqus/Standard中使用Hybrid單元，例如C3D8H，C3D20H，而在Abaqus/explicit中請使用縮減積分單元，例如C3D8R。
定義載荷步
注意打開幾何非線性選項(xiàng)。
定義接觸
Abaqus提供非常強(qiáng)大的接觸功能來幫助用戶模擬各種接觸問題。由于橡膠材料的應(yīng)變量和變形的程度都比較大，所以一般包括自接觸和別的部件的接觸。
接觸對定義
設(shè)置摩擦系數(shù)
自我接觸（self-contact）
定義其他
分析
Step 類型
載荷類型
場輸出
歷史輸出
靜剛度分析
Static General
靜載荷
NE：工程應(yīng)變；S:應(yīng)力；
RF：反力；U：位移
動剛度分析
Steady-state dynamic Direct
動載荷
NE：工程應(yīng)變；S:應(yīng)力
RF：反力；U：位移
靜載荷
動載荷
后處理
靜剛度曲線
動剛度曲線
應(yīng)變云圖
小結(jié)
本案例通過介紹如何通過Abaqus計(jì)算彈性元件動靜剛度。說明Abaqus強(qiáng)大的非線性結(jié)構(gòu)仿真能力，完整和靈活的材料定義模型，尤其是在類似的高分子材料仿真中，Abaqus能快速準(zhǔn)確地幫助用戶得到結(jié)果。