基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)識別的金屬橡膠有限元仿真方法

羅 瑪，張大義，朱海雄，馬艷紅,3，洪 杰,3

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；2.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京100191；3.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191）

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)識別的金屬橡膠有限元仿真方法

羅 瑪1，張大義2，朱海雄2，馬艷紅2,3，洪 杰2,3

（1.中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所，湖南株洲412002；2.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京100191；3.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京100191）

金屬橡膠工程應(yīng)用分析常需要1種可以與商用有限元軟件相結(jié)合，適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快捷數(shù)值仿真方法。針對金屬橡膠的有限元仿真問題，基于A N SY S軟件，發(fā)展了基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)識別的橫向各向同性材料參數(shù)確定方法，并采用循環(huán)加載、模型更新的方法，實(shí)現(xiàn)了金屬橡膠材料受壓過程非線性力學(xué)特性的仿真計(jì)算。結(jié)果表明：該方法對立方體件在無約束狀態(tài)下受壓過程進(jìn)行模擬時(shí)，相對誤差在10%之內(nèi)；安裝約束使其剛度增大，仿真與試驗(yàn)結(jié)果相比規(guī)律吻合，剛度的誤差在30%之內(nèi)；環(huán)形金屬橡膠件在徑向受壓時(shí)，仿真與試驗(yàn)測得剛度的相對誤差在25%之內(nèi)。

金屬橡膠；力學(xué)性能；有限元；仿真計(jì)算；復(fù)雜受力狀態(tài)

0 引言

金屬橡膠是1種性能優(yōu)良的阻尼材料，在航空、航天、船舶等領(lǐng)域的振動抑制方面有著廣泛應(yīng)用[1-2]。其力學(xué)性能的試驗(yàn)標(biāo)定與理論研究一直是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。

在試驗(yàn)研究方面，Gadot[3]、Li[4]、馬艷紅[5]、洪杰[6]、Liu[7]、Zarzour[8]、Zhang[9-10]等分別研究得到了金屬橡膠的結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)和工藝參數(shù)對其剛度特性和阻尼性能的影響規(guī)律，為金屬橡膠的工程應(yīng)用提供了充分的數(shù)據(jù)支撐。

在力學(xué)模型構(gòu)建方面，李宇燕等[11]提出了金屬橡膠材料的非線性干摩擦結(jié)構(gòu)單元力學(xué)模型；于鋒禮等[12]基于黏彈性阻尼機(jī)理提出了黏彈性本構(gòu)關(guān)系模型；張玲凌等[13]提出了將金屬橡膠的遲滯回線分解為彈性力和阻尼力的等效法，從而建立了恢復(fù)力分解模型；朱彬等[14]提出了金屬橡膠的螺旋卷模型；Ma等[15]構(gòu)建了可以同時(shí)對金屬橡膠彈性性能和耗能特性進(jìn)行定量描述的“傾斜螺旋微元體+摩擦角錐”的細(xì)觀結(jié)構(gòu)單元體；王亮[16]通過不可壓縮、各向同性和力學(xué)性能參數(shù)假設(shè)，建立了金屬橡膠密封系統(tǒng)的3維實(shí)體接觸模型。

上述研究工作雖為金屬橡膠的力學(xué)性能預(yù)測奠定了良好的理論基礎(chǔ)，但在工程實(shí)際中，常常需要1種適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快捷數(shù)值仿真方法，并且可以與商用有限元軟件相結(jié)合，從而滿足工程人員的分析需求，本文針對此需求開展研究工作。

1 金屬橡膠材料參數(shù)及確定方法

1.1 關(guān)鍵參數(shù)確定

金屬橡膠的特殊成型工藝，導(dǎo)致其材料力學(xué)性能參數(shù)具有橫向各向同性的特征[17-18]，即成型方向的材料參數(shù)特性與非成型方向不同，各非成型方向上則相同。此外，其成型方向和非成型方向上的力學(xué)性能參數(shù)在大應(yīng)變范圍內(nèi)體現(xiàn)出明顯的非線性，彈性模量、泊松比和剪切模量均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變相關(guān)性[9，19]。

為明確定義各參數(shù)，下標(biāo)1表示成型方向，2表示非成型方向，12表示由成型方向和非成型方向組成的材料參數(shù)面，22表示由2個(gè)非成型方向組成的材料參數(shù)面。對于金屬橡膠，按各向異性材料模型給定各參數(shù)項(xiàng)時(shí)，應(yīng)包括 E1、E2、v12、v22、G12、G22。

由于2個(gè)非成型方向組成的材料參數(shù)面為各向同性面，因此面內(nèi)的彈性模量、泊松比和剪切模量符合廣義胡克定律，有如下關(guān)系式

因此，金屬橡膠的獨(dú)立材料參數(shù)僅有E1、E2、v12、v22、G12，確定這5個(gè)參數(shù)，就可以建立仿真計(jì)算所需的模型。

1.2 參數(shù)確定方法

采用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)測試金屬橡膠標(biāo)準(zhǔn)試件在各不同材料方向上的力學(xué)性能，試驗(yàn)采用斜坡位移控制方法，每秒應(yīng)變加載0.001。以相對密度為0.21，幾何尺寸為20 mm×20 mm×20 mm的金屬橡膠構(gòu)件為例，給出試驗(yàn)設(shè)備及試件，如圖1所示。根據(jù)試驗(yàn)測試結(jié)果，不同方向上彈性模量隨應(yīng)變的變化曲線如圖2所示。采用最小二乘法擬合曲線，得到彈性模量隨應(yīng)變的函數(shù)關(guān)系式

圖1 準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)設(shè)備及正方體試件

圖2 各彈性模量隨應(yīng)變變化曲線

在不同方向上受載時(shí)，測得各泊松比隨應(yīng)變的變化曲線，如圖3所示。經(jīng)最小二乘法擬合得到其分別隨應(yīng)變變化的關(guān)系式

在成型方向上受載時(shí)，剪切模量隨應(yīng)變的變化關(guān)系曲線如圖4所示。曲線擬合后得到其隨應(yīng)變變化的關(guān)系式

圖3 各泊松比隨應(yīng)變變化曲線

圖4 剪切模量G12隨應(yīng)變變化曲線

在確定金屬橡膠材料力學(xué)性能參數(shù)時(shí)，按照橫向各向同性材料模型確定，即給定以上各參數(shù)表達(dá)式，并將表達(dá)式中的應(yīng)變與材料模型在不同方向上的應(yīng)變一一對應(yīng)。

2 有限元仿真模型與計(jì)算方法

2.1 仿真計(jì)算模型

基于ANSYS有限元軟件，采用solid185單元，分別針對立方體件(20 mm×20 mm×20 mm)和環(huán)形件(內(nèi)/外徑 100 mm/116 mm，厚度 10 mm)，建立金屬橡膠的仿真計(jì)算模型，如圖5所示。材料參數(shù)按各向異性材料模型確定，各方向力學(xué)性能參數(shù)按1.2節(jié)中由力學(xué)性能試驗(yàn)擬合的表達(dá)式給定。

圖5 算例模型

2.2 計(jì)算流程與方法

模擬金屬橡膠靜態(tài)受壓過程時(shí)，利用循環(huán)計(jì)算過程，將加載（或卸載）過程分為多個(gè)計(jì)算步，根據(jù)上一步的計(jì)算結(jié)果修正模型中的材料參數(shù)，更新彈性模量、泊松比和剪切模量，形成新的總剛度矩陣、質(zhì)量矩陣和載荷向量，并進(jìn)行下一步循環(huán)計(jì)算，計(jì)算流程如圖6所示。采用APDL語言編寫計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)以上計(jì)算過程。

圖6 增量加載法計(jì)算流程

3 立方體件的受壓過程仿真

3.1 不同方向受壓過程

對金屬橡膠立方體件在成型方向和非成型方向上的受壓過程分別進(jìn)行仿真計(jì)算，模擬其加載過程，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3.1.1 成型方向

模擬金屬橡膠立方體件在成型方向受載時(shí)，采用增量加載法對靜態(tài)加載過程進(jìn)行模擬，加載至應(yīng)變?yōu)?4%左右，計(jì)算輸出力-位移曲線，如圖7所示。從圖中可見，在24%應(yīng)變范圍內(nèi)，仿真計(jì)算得到的力-位移曲線與試驗(yàn)實(shí)測曲線吻合度高，計(jì)算結(jié)果較為精確。在金屬橡膠受壓過程中，仿真模擬的壓載荷-位移曲線與試驗(yàn)實(shí)測曲線的誤差值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。仿真模擬全程誤差在8%以內(nèi)。

圖7 成型方向計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

3.1.2 非成型方向

模擬金屬橡膠立方體件在非成型方向上加載時(shí)，采用增量加載法計(jì)算輸出的力-位移曲線如圖8所示。從圖中可見，在非成型方向加載至6%應(yīng)變范圍內(nèi)，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所得曲線吻合度也較高。從誤差分布來看，在小載荷、小應(yīng)變階段誤差較大，而當(dāng)載荷增大后則誤差明顯減小。在仿真模擬的全過程中，誤差均在10%以內(nèi)。

圖8 非成型方向計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對比

3.2 約束狀態(tài)的影響

為研究約束狀態(tài)的影響，對立方體件在成型方向上的受壓過程進(jìn)行深入研究，改變模型及試驗(yàn)件的側(cè)向約束狀態(tài)，并對仿真和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析。

3維立方體件在成型方向受壓時(shí)，承載面為各向同性平面，因此側(cè)面約束有3種狀態(tài)，即無側(cè)向約束、兩側(cè)約束（僅在1個(gè)非成型方向上約束）和四周約束（在2個(gè)非成型方向上均施加約束），如圖9所示。

圖9 金屬橡膠模型約束狀態(tài)（成型方向受壓）

對應(yīng)3種約束狀態(tài)，在所建立模型上施加對應(yīng)的位移約束，經(jīng)計(jì)算得到所施加的力和相應(yīng)的位移曲線，如圖10所示。從圖中可見，在同樣大小的壓力下，無側(cè)向約束時(shí)得到的位移最大，兩側(cè)約束時(shí)略有減小，而當(dāng)四周均被約束時(shí)則所得位移值明顯減小。在加載初期（位移小于3 mm時(shí)），3條曲線的差別不大，而隨著應(yīng)變進(jìn)一步增大，3條曲線的差距也逐漸增大。同時(shí)，當(dāng)僅有1個(gè)非成型方向被約束時(shí)，力-位移曲線僅有極小幅度偏移，而當(dāng)2個(gè)非成型方向均被約束后，曲線則有較為明顯的向上偏移，宏觀表現(xiàn)出剛度的非線性增大更加劇烈。

圖10 帶約束3D模型在成型方向的力-位移曲線

相同規(guī)格的試驗(yàn)件在不同約束狀態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。從圖中可見，當(dāng)金屬橡膠立方體件的側(cè)面存在約束時(shí)，其壓力-位移曲線發(fā)生偏移。約束狀態(tài)為兩側(cè)約束時(shí)，曲線相對無側(cè)向約束時(shí)偏移量并不大；而當(dāng)立方體件的四周均被約束時(shí)，其壓力-位移曲線發(fā)生明顯偏移。此規(guī)律與仿真計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖11 試驗(yàn)實(shí)測帶約束金屬橡膠件的試驗(yàn)力-位移曲線

為進(jìn)一步定量評估仿真計(jì)算模型的精度，取約束狀態(tài)為四周約束的仿真與試驗(yàn)曲線，對其剛度進(jìn)行分析。二者的剛度對比及誤差分布如圖12所示。從圖中可見，在加載的初始階段，仿真模型的剛度低于試驗(yàn)實(shí)測剛度，誤差值為25%左右。隨著加載應(yīng)變的增加，二者的相對誤差略微增加，在應(yīng)變值達(dá)到10%之后，仿真計(jì)算模型的相對誤差迅速減小。在20%應(yīng)變范圍內(nèi)，采用有限元仿真計(jì)算模型得到的預(yù)估剛度值，其相對誤差在30%以下。

圖12 四周約束狀態(tài)下仿真與試驗(yàn)所得剛度與誤差分布

4 環(huán)形件的徑向受壓過程仿真

圖13 金屬橡膠有限元模型加載

對金屬橡膠環(huán)形件進(jìn)行有限元仿真計(jì)算時(shí)，在第2.1節(jié)所建立金屬橡膠環(huán)形件模型的基礎(chǔ)上，在其內(nèi)部建立剛性環(huán)，用以模擬實(shí)際工作狀態(tài)下的鼠籠軸頸或在試驗(yàn)環(huán)境下的加載軸。如圖13所示，金屬橡膠環(huán)與剛性加載環(huán)之間建立接觸對單元，摩擦系數(shù)取0.15。在加載時(shí)，在金屬橡膠環(huán)外表面施加徑向約束，徑向壓載荷以集中力的形式施加在剛性環(huán)上，并由接觸對傳遞至金屬橡膠環(huán)。

按照金屬橡膠環(huán)形件在實(shí)際使用中的特點(diǎn)，將承載方向定義為非成型方向，軸向定義為成型方向，材料參數(shù)按橫向各向異性材料模型確定。金屬橡膠環(huán)在徑向加載時(shí)，經(jīng)有限元仿真計(jì)算和試驗(yàn)測試獲得其壓力-位移曲線，如圖14所示。

圖14 金屬橡膠環(huán)徑向壓力-位移仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

對圖14計(jì)算得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到金屬橡膠環(huán)在8%應(yīng)變范圍內(nèi)的剛度，如圖15所示。從圖中可見，當(dāng)金屬橡膠環(huán)形件在徑向方向受壓時(shí)，其加載過程剛度隨應(yīng)變的增大逐漸上升，但仿真計(jì)算所得剛度與試驗(yàn)實(shí)測剛度相比偏小，相對誤差隨加載應(yīng)變的增大而逐漸減小，在加載范圍內(nèi)均處于相對誤差25%之內(nèi)。仿真計(jì)算誤差的主要來源是，在計(jì)算中為提供求解效率和收斂性，并未考慮幾何變形非線性帶來的影響，因此有限元計(jì)算結(jié)果的變形值整體偏大，進(jìn)而帶來剛度偏小。

5 結(jié)論

圖15 金屬橡膠環(huán)的徑向剛度及誤差分布

（1）在立方體件無約束自由狀態(tài)下，采用所建立的模型和計(jì)算方法得到的結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果吻合。仿真模擬曲線與試驗(yàn)實(shí)測曲線相比，無論是在成型方向上受壓還是非成型方向上受壓，相對誤差均在10%以內(nèi)。

（2）對于帶有側(cè)面約束的立方體件，約束會造成其加載過程中剛度增大，約束的自由度越多，則剛度的增加幅度越大。采用本文建立的模型和計(jì)算方法得到的結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果相比，剛度的相對誤差在30%以內(nèi)。

（3）對于金屬橡膠環(huán)形件，在其徑向受壓時(shí)，采用本文建立的模型和計(jì)算方法得到的結(jié)果與試驗(yàn)測試結(jié)果相比，剛度的相對誤差在25%以內(nèi)。

本文所建立的金屬橡膠有限元模型和仿真計(jì)算方法能充分反映金屬橡膠材料的橫向各向同性和應(yīng)變相關(guān)性的非線性特征，適用于帶有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式金屬橡膠的機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)計(jì)算，并具有較高的求解精度。在后續(xù)研究中，將進(jìn)一步考慮金屬橡膠的阻尼特性，發(fā)展適用于動力學(xué)的仿真方法。

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Finite Element Simulation Method of Metal Rubber Based on Tested Parameter Identification

LUO Ma1,ZHANG Da-yi2,ZHU Hai-xiong2,MA Yan-hong2,3,HONG Jie2,3
（1.China Aviation Powerplant Research Institute,Zhuzhou Hunan 412002,China； 2.School of Energy and Power Engineering,Beihang University，Beijing 100191， China； 3.Collaborative Innovation Center of Advanced Aero-Engine,Beijing 100191， China）

During the metal rubber's(MR)engineering application,a numerical method with fast solving speed that is suitable for complex configurations is required.It is also hoped that the method could be combined with the commercial finite element software considering the engineers'requirements.Aiming at solving the finite element simulation problems of MR,the paper developed a parameter identification method for the transverse isotropy materials based on the tested data.The nonlinear mechanical characteristics of MR during compression process were calculated through the looping loading and model updating method.The results reveal that the relative error between predicted and tested result of cubic MR model without constraint is less than 10%and less than 30%for cubic MR under constraint.The constraint also leads to larger stiffness of MR.The relative error of ring MR model under radial loading is holded within 25%.

metal rubber;mechanical property;finite element;simulation;complex forced state

V 257

A

10.13477/j.cnki.aeroengine.2017.03.011

2016-05-19 基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51475021、51475023）資助

羅瑪（1978），男，高級工程師，主要從事航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及性能設(shè)計(jì)方面工作；E-mail:rome158@163.com。

羅瑪，張大義，朱海雄，等.基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)識別的金屬橡膠有限元仿真方法[J].航空發(fā)動機(jī)，2017,43（3）：56-61.LUOMa，ZHANGDayi，ZHU Haixiong，et al.Finite element simulation method ofmetal rubber based on tested parameter identification[J].Aeroengine，2017,43（3）：56-61.

（編輯：栗樞）