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CN112765839B - 一种金属橡胶构件的设计方法 - Google Patents

一种金属橡胶构件的设计方法 Download PDF

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Abstract

一种金属橡胶构件的设计方法，涉及一种设计方法。本发明解决了对金属橡胶进行有限元模拟计算时，存在材料参数的输入困难和无法获得金属橡胶构件性能参数的影响规律的问题。本发明的步骤一：采用不同的数值仿真模型来准确描述金属橡胶的不同压缩变形阶段；步骤二：利用获得的金属橡胶本构关系通过有限元仿真软件建立金属橡胶构件模型；步骤三：研究构件的结构尺寸对金属橡胶的影响规律。以实心金属橡胶试样的力学性能为基础，分别采用ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型和多重线性随动强化模型来描述金属橡胶的变形过程，根据所获得的本构关系再进行金属橡胶的结构设计，分析了结构尺寸对构件力学性能的影响。本发明用于金属橡胶构件设计。

Description

一种金属橡胶构件的设计方法
技术领域
本发明涉及一种设计方法，具体涉及一种金属橡胶构件的设计方法，尤其涉及一种基于ANASYS有限元软件分析的结构设计方法。
背景技术
橡胶材料在室温下具有良好的弹性阻尼性能、抗腐蚀老化性能和较长的使用寿命，一直以来作为减振、降噪和密封材料在工程机械领域被广泛使用。但是在低温条件下，橡胶材料表现出很多缺点，如温度降低时硬度及模量变高、恶劣海洋环境使用易发生老化、高低温交替使用寿命变短等。而金属橡胶正是针对这些不足之处而发展起来的一种功能结构型材料。
金属橡胶是一种由以金属丝为原材料，经过绕制缠结成一定直径和螺距的弹簧螺旋卷，铺制成三维毛坯，最终冷压成型得到的匀质多孔材料。与传统橡胶相比，金属橡胶在受载过程中刚度变化较为剧烈，并且远远高于传统橡胶，通过结构设计获得能够在低温下代替传统橡胶使用的金属橡胶。
在如今，有限元仿真计算已经在工程实践上得到大规模的应用，而金属橡胶作为一种新型材料，目前还没有完全适合其力学性能变化的材料模型，当前金属橡胶模型主要是悬臂梁等效模型和线弹性材料模型，但悬臂梁模型建模困难，不适用于结构复杂的金属橡胶构件；线弹性模型将金属橡胶等效为弹性材料，不能描述其非线性变形过程。因此，如何将金属橡胶的力学性能变化规律准确输入到计算机中是十分重要的。
发明内容
本发明为了解决现有的金属橡胶进行有限元模拟计算时，由于没有一种可以完全适合其力学性能变化的材料模型，不能将金属橡胶的力学性能变化规律准确输入到计算机中，无法得到典型结构尺寸对金属橡胶构件性能参数的影响规律。进而提供了一种金属橡胶构件的设计方法。
本发明的技术方案是一种金属橡胶构件的设计方法，它包括以下步骤：
步骤一：采用不同的数值仿真模型来准确描述金属橡胶的不同压缩变形阶段：对金属橡胶压缩应力-应变曲线线性阶段采用ANASYS有限元软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型描述；对金属橡胶压缩应力-应变曲线非线性阶段采用ANASYS有限元软件数据库中的多重线性随动强化模型来描述。
步骤二：基于能量守恒定律和随动强化理论结合步骤一中ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型和多重线性随动强化模型对不同的压缩变形阶段提出了新的金属橡胶本构关系，通过有限元仿真软件建立金属橡胶构件模型。
步骤三：研究构件的结构尺寸对金属橡胶构件刚度影响：利用有限元仿真软件建立金属橡胶构件模型，对其进行有限元模拟计算，主要分析金属橡胶的外径尺寸，内外径比值和相对密度对力学性能的影响规律。
本发明与现有技术相比具有以下改进效果：
1、本发明的有益效果是将有限元仿真软件与金属橡胶构件的设计结合在一起，采用不同的仿真模型描述不同阶段的金属橡胶压缩变形过程，大大提高仿真数据的准确度。再根据所获得的本构关系利用有限元仿真软件设计金属橡胶构件的结构尺寸，研究金属橡胶构件结构尺寸对力学性能的影响。
2、本发明基于ANASYS仿真模拟软件的金属橡胶构件结构的设计方法，采用ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型和多重线性随动强化模型来准确描述金属橡胶的变形过程，解决了金属橡胶进行有限元模拟计算时材料参数的输入困难问题，得到了典型结构尺寸对金属橡胶构件性能参数的影响规律。
3、本发明以实心金属橡胶试样的力学性能为基础，分别采用ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型和多重线性随动强化模型来描述金属橡胶的变形过程，根据所获得的本构关系再进行金属橡胶的结构设计，分析了结构尺寸对构件力学性能的影响。本发明采用不同仿真模型准确的描述了金属橡胶的变形过程，提出了新的金属橡胶本构关系，通过有限元仿真软件设计了金属橡胶构件，有效的降低了金属橡胶构件的刚度。
附图说明
图1是本发明金属橡胶的准静态压缩应力-应变曲线；
图2是本发明金属橡胶干摩擦作用消耗的能量；
图3是本发明金属橡胶外力做的功；
图4是本发明金属橡胶加载曲线的多项式拟合；
图5是本发明金属橡胶卸载曲线的多项式拟合；
图6是本发明相对密度为0.2的金属橡胶实验数据和仿真数据应力-应变曲线；
图7是本发明○型金属橡胶构件模型；
图8是本发明不同外径，相同内外径比的○型金属橡胶构件仿真模型；
图9是不同外径，相同内外径比○型金属橡胶构件有限元仿真压缩应力-应变曲线图；
图10是本发明相同外径，不同内外径比的○型金属橡胶构件仿真模型；
图11是不同内外径比○型金属橡胶构件有限元仿真压缩应力-应变曲线图；
图12是本发明不同相对密度的○型金属橡胶构件的应力-应变曲线；
图13是本发明○型金属橡胶构件应变量为30％时的综合等效云图。
具体实施方式
具体实施方式：本实施方式的一种金属橡胶构件的设计方法，它包括以下步骤：
步骤一：采用不同的数值仿真模型来准确描述金属橡胶的不同压缩变形阶段：对金属橡胶压缩应力-应变曲线线性阶段采用ANASYS有限元软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型描述；对金属橡胶压缩应力-应变曲线非线性阶段采用ANASYS有限元软件数据库中的多重线性随动强化模型来描述。；
步骤二：基于能量守恒定律和随动强化理论结合步骤一中ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型和多重线性随动强化模型对不同的压缩变形阶段提出了新的金属橡胶本构关系，利用获得的金属橡胶本构关系，通过有限元仿真软件建立金属橡胶构件模型：
在获得的金属橡胶的本构关系时，在金属橡胶压缩变形过程不同阶段的本构方程是变化的，将金属橡胶的变形过程分为两个阶段：
第一阶段为线弹性阶段，采用ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型来描述金属橡胶的变形过程；对于正交各向异性阻尼材料模型，需要在仿真软件中输入金属橡胶的密度、弹性模量、剪切模量以及泊松比，其中，输入的金属橡胶的密度、弹性模量、剪切模量以及泊松比由金属橡胶压缩循环曲线结合能量守恒定律得出；
第二阶段为非线弹性阶段，包括软特性和指数硬化阶段，采用ANASYS数据库中的多重线性随动强化模型来描述其在非弹性阶段的变形过程；对于多重线性随动强化模型需要将金属橡胶在非线性阶段的应力-应变曲线回归分析，输入特征参数值到软件中；
不同相对密度的金属橡胶的本构关系不同，相对密度通过控制金属丝使用量的多少实现对金属橡胶的相对密度大小的控制，其中金属橡胶的螺旋卷缠绕直径、螺旋卷螺距与金属丝的直径有关，金属橡胶的螺旋卷缠绕直径、螺旋卷螺距与金属丝的直径比例为10:10:1。
步骤三：研究构件的结构尺寸对金属橡胶构件刚度影响：利用有限元仿真软件建立金属橡胶构件模型，对其进行有限元模拟计算，主要分析金属橡胶的外径尺寸，内外径比值和相对密度对刚度的影响规律。
下面结合附图1至11对本发明作进一步详细说明：
图1是金属橡胶进行准静态压缩试验得到的应力-应变曲线，由曲线可以观察到金属橡胶的准静态压缩变形经历3个阶段，即线弹性阶段AB，软特性阶段BC以及指数硬化阶段CD。
在有限元计算时，将压缩变形过程分为两个阶段：
第一阶段为线弹性阶段，使用ANSYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型来描述金属橡胶的变形过程。对于金属橡胶的正交各向异性阻尼材料模型，需要在有限元仿真软件中输入金属橡胶的密度、弹性模量、剪切模量和泊松比，由金属橡胶压缩循环曲线结合能量守恒定律得出。
第二阶段为非线弹性阶段，包括软特性与指数硬化阶段，使用数据库中的多重线性随动强化模型来描述金属橡胶的变形过程。需要将金属橡胶在非线性阶段的应力-应变曲线线性回归分析，输入特征参数值到软件中去。
根据能量守恒定律，金属橡胶在准静态受力时，外力加载做功与内摩擦或干摩擦所耗的能量及试件发生的弹性势能、回弹时的动能能量总量平衡。
图2中阴影部分的面积为干摩擦作用消耗的能量；
图3中阴影部分的面积为外力所做的功。
外力做的功与干摩擦消耗的能量差值为在弹性恢复力作用下金属橡胶回弹时释放的势能，即弹性应变能。它们之间符合能量守恒定律。
假设p(x)为加载载荷，q(x)为卸载载荷，则一次循环过程中外力所做的功为：
Figure RE-GDA0002984895700000041
弹性应变能为：
Figure RE-GDA0002984895700000042
根据材料力学理论，材料在弹性范围内轴向拉压中，外力做功为：
Figure RE-GDA0002984895700000043
P——材料轴向力，N
Δl——材料轴向位移，mm
根据胡克定律，通过公式(1)、(2)、(3)可以推导出轴向受拉压金属橡胶的等效弹性模量计算公式：
Figure RE-GDA0002984895700000044
A——金属橡胶的受力面积，mm2
对相对密度为0.2的金属橡胶压缩循环曲线进行分析。
将金属橡胶一次循环过程中的加卸载曲线分别进行6次多项式拟合，可以得到金属橡胶在加卸载时的曲线方程。
加载时的曲线方程：
Figure RE-GDA0002984895700000051
卸载时的曲线方程：
Figure RE-GDA0002984895700000052
图4是金属橡胶加载曲线的多项式拟合。
图5是金属橡胶卸载曲线的多项式拟合。
根据金属橡胶在加卸载曲线拟合的6次多项式方程可以计算出拟合精度达到99％以上，说明曲线的拟合方程是准确的。根据公式(4)可以计算出相对密度为0.2的金属橡胶等效模量为88.61MPa。
将上述材料参数及数学关系式作为初始条件赋予有限元模型，采用和实验相同的边界条件模拟金属橡胶加载过程，获得仿真结果。
图6是相对密度为0.2的金属橡胶实验数据与仿真数据的应力-应变曲线；
从图中可以看出金属橡胶的仿真数据与实验数据吻合的较好，正交各向异性阻尼材料模型和多重线性随动强化模型可以很准确的描述金属橡胶在线弹性与非线弹性阶段的变形过程。
金属橡胶构件在低温下具有良好的力学稳定性，但是金属橡胶的刚度要远大于普通橡胶，采用空心结构可以有效降低金属橡胶刚度。通过有限元仿真软件设计一种截面为○型的金属橡胶构件，研究截面尺寸对刚度的影响规律。
图7是○型金属橡胶构件模型。
图8和图9是不同外径，相同内外径比的○型金属橡胶构件压缩应力-应变曲线有限元仿真结果。
图10和图11是相同外径，内外径比分别为0.2、0.4、0.6和0.8的○型金属橡胶构件压缩应力-应变曲线有限元仿真结果。
通过对比可以发现，当○型金属橡胶构件的内外径比相同时，不同外径金属橡胶构件的应力-应变曲线具有很高重合度，说明○型金属橡胶构件的刚度与其外径尺寸无关，当内外径比为定值时，构件的强度和外径尺寸成线性关系。
随着内外径比值的增加，金属橡胶构件的刚度急剧下降，线弹性、软特性、指数硬化三个阶段对应的应变量逐渐增加。
图12是相同结构尺寸(外径10mm，内外径比0.4)不同相对密度(0.2、0.3)的○型金属橡胶构件的应力-应变曲线。
对比数值模拟结果可以发现不同相对密度的金属橡胶构件其线弹性阶段对应的应变量相差不大，分别为26.05％、22.98％,。说明○型空心结构在线弹性阶段结构变形产生的应变量要远大于材料由于压缩模量产生的应变量。相对密度为0.2的试样软特性阶段对应的应变量范围更广。根据公式(4)计算得到不同相对密度金属橡胶等效模量分别是36.48MPa、 84.28MPa，和金属橡胶原始材料的等效模量对比发现，相对密度越大其等效模量越大，通过结构设计能够有效降低金属橡胶构件的刚度。
图13是外径10mm，内外径比0.4，不同相对密度的○型金属橡胶构件30％压缩应变时的等效应力和等效应变云图。
通过对比可以发现在30％压缩应变时，金属橡胶构件发生最大等效应变的位置都一致，均发生在○型构件水平对称面内侧，应变量分别为28.734％、28.774％，相对密度为0.3的应变量略大。相对密度为0.2试样的最大综合等效应力值为0.94965MPa，相对密度为0.3 的为8.2616MPa。说明金属橡胶构件的几何形状决定了最大应变量发生的位置，改变几何形状可以有效的降低构件的刚度。通过几何尺寸和相对密度的调整能够有效的改变构件在各个阶段的力学参数。
上述仅本发明较佳可行的实施例而已，非因此局限本发明保护范围，依照上述实施例所作各种变形或套用均在此技术方案保护范围之内。

Claims (6)

1.一种金属橡胶构件的设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：采用不同的数值仿真模型来准确描述金属橡胶的不同压缩变形阶段：对金属橡胶压缩应力-应变曲线线性阶段采用ANASYS有限元软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型描述；对金属橡胶压缩应力-应变曲线非线性阶段采用ANASYS有限元软件数据库中的多重线性随动强化模型来描述；
步骤二：基于能量守恒定律和随动强化理论结合步骤一中ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型和多重线性随动强化模型对不同的压缩变形阶段提出了新的金属橡胶本构关系，利用获得的金属橡胶本构关系，通过有限元仿真软件建立金属橡胶构件模型；
步骤三：研究构件的结构尺寸对金属橡胶的外径尺寸，内外径比值和相对密度对力学性能的影响规律。
2.根据权利要求1的一种金属橡胶构件的设计方法，其特征在于：步骤二中获得的金属橡胶的本构关系，在金属橡胶压缩变形过程不同阶段的本构方程是变化的，将金属橡胶的变形过程分为两个阶段：
第一阶段为线弹性阶段，采用ANASYS软件数据库中的正交各向异性阻尼材料模型来描述金属橡胶的变形过程；
第二阶段为非线弹性阶段，包括软特性和指数硬化阶段，采用ANASYS数据库中的多重线性随动强化模型来描述其在非弹性阶段的变形过程。
3.根据权利要求2的一种金属橡胶构件的设计方法，其特征在于：在线弹性阶段中，对于正交各向异性阻尼材料模型，需要在仿真软件中输入金属橡胶的密度、弹性模量、剪切模量以及泊松比。
4.根据权利要求3的一种金属橡胶构件的设计方法，其特征在于：在非线弹性阶段中，对于多重线性随动强化模型需要将金属橡胶在非线性阶段的应力-应变曲线回归分析，输入特征参数值到软件中。
5.根据权利要求2的一种金属橡胶构件的设计方法，其特征在于：线弹性阶段中输入的金属橡胶的密度、弹性模量、剪切模量以及泊松比由金属橡胶压缩循环曲线结合能量守恒定律得出。
6.根据权利要求1或5的一种金属橡胶构件的设计方法，其特征在于：步骤二中，不同相对密度的金属橡胶的本构关系不同，相对密度通过控制金属丝使用量的多少实现对金属橡胶的相对密度大小的控制，其中金属橡胶的螺旋卷缠绕直径、螺旋卷螺距与金属丝的直径有关，金属橡胶的螺旋卷缠绕直径、螺旋卷螺距与金属丝直径的比例为10:10:1。
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