优化Abaqus计算：带扭曲轴对称单元在橡胶阻尼器中的应用

Abaqus有非常丰富的单元库，其中就有轴对称单元，比如CAX4（I/R/H/T），当一个回转结构具有某种载荷对称性时，可以用它将三维模型缩减为轴对称模型来分析，能减少大量的内存和分析时间，而同样的模型规模，3D实体单元要更耗费计算资源。

那么，回转结构受到侧向弯曲或轴向扭转的载荷时，有没有类似的单元可以用呢？

橡胶阻尼器的内摩擦生热分析-节点温度云图

比如，假设上图中的阻尼器不再是长方体，而是回转体，且发生轴向扭曲变形，那么能不能用轴对称单元来建模呢？

答案是可以的，在Abaqus的轴对称单元系里还有一种可考虑Twist的单元，即带字母G标识的那种类型，能够在分析时充分考虑回转体的整体扭转变形。

首先，我们可以在part模块使用Axisymmetric建立环形块状阻尼器的回转截面；然后在mesh模块划分好四边形网格；最后，定义单元类型为CGAX4T，即带扭曲的4节点轴对称位移-温度耦合单元。

这里的橡胶阻尼器材料本构采用的是超弹性模型，应变能描述形式为Neo Hooke，再结合时域黏弹性Prony参数与非弹性变形能耗散比，来计算阻尼器周期性扭转过程中的材料内摩擦生热。

阻尼器上、下两个端面的节点分别使用位于回转轴上的两个参考点来耦合，固定下端面参考点，并在上端面参考点施加轴向的周期性扭角位移。

阻尼器的回转结构与网格-单元

虽然建模时只考虑了回转截面，但是带扭曲的轴对称单元可以将回转体发生扭转时的整体结构响应考虑在内，这是因为这种单元多了一个扭转自由度5，拿本例中的位移-温度耦合单元CGAX4T来说，该单元的节点具有1、2、5和11四个自由度。

回转截面上的节点温度云图

当然，我们还可以通过后处理设置，将阻尼器的三维实体以部分或全貌的形式显示出来，这样方便更直观地看到整个结构的扭曲变形。

后处理定义回转角度和网格堆叠

在周期性扭转过程中，由于橡胶材料的黏弹性内摩擦耗散，导致阻尼器温度逐渐升高，计算结果表明，30分钟内阻尼器从开始时的室温22℃升高到40℃。

阻尼器的升温曲线

注：本案例的动图为跳帧模式，直观上不反映阻尼器真实的扭转频率。

当然，除了Twist，还有Bend模式可以使用，恰当地使用这种类型的单元进行三维模型缩减建模，计算效率真的不知比三维实体单元高到哪里去了。

Neo Hooke超弹性参数，时域黏弹性Prony参数与非弹性变形能耗散比详见inp文件的材料property定义。

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