有限元||橡胶垫圈超弹性及应力松弛行为仿真教程

密封圈是一种常用的密封元器件，具有制造简单、使用方便、成本低廉等特点，广泛应用于石油化工、机械和宇航领域。由于橡胶材料具有超弹性能，当受到较大外载时，表现出高度非线性的特性，往往使得密封圈的精确仿真求解十分困难。

ABAQUS 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。ABAQUS 包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料，作为通用的模拟工具， ABAQUS 除了能解决大量结构（应力/位移）问题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析（流体渗透 / 应力耦合分析）及压电介质分析。

橡胶密封垫的密封性常用表面接触应力大小来表示，其力学行为常用超弹性本构模型来描述，同时橡胶具有黏弹性特性，在长期受压状态下，会出现力学松弛现象。

本篇文章展示ABAQUS软件在仿真橡胶垫的超弹性变形行为及应力松弛现象的功能，应力释放模型采用应力释放实验数据，超弹性模型为Mooney-Rivlin超弹性力学模型：

在软件进行模型装配，装配后如图1所示。先对上模具施加位移，待橡胶密封垫片获得一定应力场后再仿真应力释放过程，分别采用静力隐身和粘性分析步，然后设置场变量和历史变量输出，分别如图2和图3所示。

定义上下模具与橡胶密封垫，摩擦系数为0.16，定义好之后如图4所示。定义对称、强制位移和固定边界条件，定义好后如图5所示。对橡胶垫圈划分网格，采用自由网格划分技术，划分后如图6所示，单元类型选择CPE4RH: A 4-node bilinear plane strain quadrilateral, hybrid, constant pressure, reduced integration, hourglass control和CPS4R: A 4-node bilinear plane stress quadrilateral, reduced integration, hourglass control.

创建分析任务，两个单元类型设置两个分析步，先后提交计算，待计算完成，查看结果。第一个分析步结束后，平面应变单元的计算结果如图7和图8所示，平面应力单元的计算结果如图9和图10所示。第二个分析步结束后，平面应变单元的计算结果如图11和图12所示，平面应力单元的计算结果如图13和图14所示。

对比图7与图11、图8与图12、图9和图13、图10和图14不论采用哪种单元类型，应力应变均减小。从图15和图16中可以看出，橡胶密封垫在压缩位移作用下，力非线性增加，应力得以释放后，力先是迅速下降后又平缓降低。该仿真算法及数值分析为确定密封圈性能提供了参考。