ANSYS Workbench实例：橡胶件扩张过程仿真分析

橡胶扩张变形过程是个典型的非线性过程，而且包含了非线性中的三种情况：

  1. 橡胶属于典型的超弹性材料——材料非线性；
 

  2. 橡胶在扩张过程中的应变很大——几何非线性；
 

  3. 橡胶扩张过程中存在于扩张件的接触——状态非线性。
 

因此在仿真过程中，我们要认真关注计算的收敛性问题。下面我们以电缆冷缩终端为例，对橡胶件的扩张过程进行一个仿真，并得出冷缩终端的抱紧力。

仿真过程

  对于橡胶扩张过程的仿真，我们可以将其视为准静态问题，因此我们选择Workbench中的Static Structural（结构静力学）模块来简单模拟。

Step1

橡胶材料的选择

新建一个材料，命名为“RUBER”。

本次计算采用Ogden 3rd Order本构方程，双击Toolbox中的Ogden 3rd Order

材料模型，将其添加到

“RUBER

”材料的属性中。
 

根据ANSYS Help中的数据，Ogden 3rd Order

材料模型具体数值依次为：
 

43438Pa、1.3、82.74Pa、5、-698.5Pa、-2、2.9E-8Pa^-1、0Pa^-1、0Pa^-1。
 

Step2

建立冷缩终端模型

冷缩终端属于回转体，我们可以选择纵向截面的1/2，使用平面轴对称模型进行仿真，这样不仅不损失计算精度，同时也大大降低了计算量。

笔者在CAD中画了个冷缩终端的模型，导入到SCDM中，并将两个面模型分别命名为“电缆”和“终端”，几何模型如下图所示：

Step3

设置分析类型

在Propertiesof Project Schematic中将 AnalysisType切换为2D。（若Analysis Type为3D，则导入平面几何后软件将使用壳单元计算）。双击Model进入Mechianical。

Step4

设置模型参数

点击Geometry，将2D Behavior设置为 Axisymmetric；

选择电缆，因为电缆材料参数笔者暂时未找到，所以材料默认为Structural Steel；

选择终端，

将其材料改为Step2中建立的“Ruber“

Step5

接触设置

1. 接触边选择终端边，目标边选择电缆边；

2. 接触类型选择Frictionl（摩擦接触），摩擦系数设置为0.1；

3. 接触算法选择Normal Lagrange（法向拉格朗日算法）；

4. 橡胶扩张模拟：该案例我们使用偏移目标面的方式来模拟扩张过程。将Interface Treatment设置为Add Offect，Ramped Effects，Offcet设置为10mm，表示终端的内径扩张10mm。
 

Step6

网格划分

自由网格划分。

网格物理选项设置为非线性结构，

单元阶数设置为线性（低阶），网格尺寸设置为1mm。

Step7

分析设置

1. 自动时间步设置。打开自动时间步，并采用子步形式；

2. 子步设置。初始子步设置为200，最小子步设置为100，最大子步设置为400；

3. 打开大变形。Ogden 3rd Order材料要求分析时必须打开大变形。

Step8

载荷和约束设置

设置电缆中心线为固定约束A，同时为了方便计算，将终端底边设置为无摩擦约束B。

Step9

结果

提取变形结果，如下图所示。

同样，我们可以在结果中插入接触工具Contact Tool，提取接触压力Pressure，如下图所示。

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