橡胶钢双材料非线性有限元分析及破坏机理研究

论文摘要

在工程上,橡胶与金属粘结件在悬挂与定位系统上得到广泛的使用。在设计过程中,由于橡胶材料的几何与材料双重非线性使我们很难获得问题的简单而精确的解。虽然也存在一些闭式的分析解,但是这些解都是针对简单几何形状的产品,且都是基于两个假设:线弹性小变形和把橡胶看成绝对不可压缩材料。幸运的是,数值技术特别是有限元技术的发展为工程橡胶制品的设计以及优化提供了一个很好的工具。本文主要采用有限元方法对橡胶钢双材料进行非线性有限元分析和破坏机理研究。本文概述了表征橡胶超弹性的基础实验。根据真实的应力应变曲线讨论了橡胶材料模型的局限性。并总结了如何获得有限元分析所必需的应力应变数据及本构模型的选择。对一个存在解析解的经典例子,即橡胶圆柱的扭转问题进行非线性有限元分析,验证有限元法解决橡胶非线性问题的能力。结果表明选择合适的单元,算法和材料模型可以获得与理论解一致的有限元解。用非线性有限元法分析橡胶钢性球模型。计算了不同橡胶层厚度模型的刚度,以及刚度随橡胶材料可压缩性的变化。分析了模型中水静压力分布,预测橡胶钢性球可能失效的位置。用非线性有限元法分析了橡胶纯剪试件变形与理想纯剪变形之间的差异。对橡胶纯剪试件中或橡胶与钢性夹具粘结处存在中心裂纹和边缘裂纹时的撕裂能进行了计算。大裂纹时撕裂能与裂纹尺寸无关,中心小裂纹的撕裂能与裂纹尺寸成线性关系。同时分析了不同材料模型对橡胶纯剪试件变形和断裂属性的影响。文中也计算了裤形试件的撕裂能随拉伸率的变化以及简单拉伸试件中含有不同形状和不同方向的小边缘裂纹时的撕裂能。用非线性有限元法分析了管状橡胶衬套的界面裂纹,对于小裂纹,计算结果与线性分析一致,对于大裂纹,非线性解与线性解存在很大不同,这点是值得注意的。文中还模拟了橡胶钢双材料构件中的另一种失效方式,即空化现象。此外,本文用非线性有限元法对两个实际的橡胶钢粘结件进行分析与重新设计,阐述了有限元法在橡胶材料工程设计及失效分析中的应用。用断裂力学方法预测简单拉伸试件的疲劳寿命,并与实验结果进行比较,根据实验结果,提出了一个新的预测寿命模型。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 橡胶钢双材料研究现状
• 1.3 橡胶弹性本构模型综述
• 1.3.1 橡胶弹性理论
• 1.3.2 分子网络本构模型
• 1.3.3 唯象理论本构模型
• 1.3.4 可压缩性的影响
• 1.4 影响橡胶材料疲劳断裂的因素
• 1.5 橡胶材料的疲劳寿命分析方法
• 1.6 本文的主要内容与章节安排
• 第二章橡胶材料常数的实验测定及典型例题的非线性有限元分析
• 2.1 引言
• 2.2 橡胶基础实验
• 2.2.1 单轴拉伸实验
• 2.2.2 平面拉伸实验
• 2.2.3 等轴拉伸实验
• 2.2.4 体积压缩实验
• 2.3 如何获得适用于超弹性模型的实验数据
• 2.3.1 橡胶材料的真实应力应变曲线特征
• 2.3.2 理论超弹模型的局限
• 2.3.3 获取实验数据时要注意的问题
• 2.3.4 如何对实验数据进行简化
• 2.4 一个经典的橡胶圆柱扭转问题
• 2.4.1 问题描述
• 2.4.2 有限元计算及结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 橡胶-钢性球复合模型的非线性有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 橡胶-钢性球有限元模型
• 3.3 刚度分析
• 3.3.1 小变形刚度
• 3.3.2 大变形刚度
• 3.4 橡胶层应力分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 橡胶断裂试件的非线性有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 纯剪试件变形分析
• 4.2.1 基本理论
• 4.2.2 有限元分析的过程和结果
• 4.3 纯剪试件断裂分析
• 4.3.1 基本理论
• 4.3.2 有限元模型
• 4.3.3 橡胶试件中心裂纹和双边缘裂纹
• 4.3.4 粘接界面中心裂纹和双边缘裂纹
• 4.4 裤型试件
• 4.5 带水平边缘裂纹的简单拉伸试件
• 4.6 带倾角为45°的边缘裂纹的拉伸试件
• 4.7 带角边缘裂纹的拉伸试件
• 4.8 撕裂能的方向性
• 4.9 本章小结
• 第五章 橡胶钢双材料断裂问题的非线性有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 管状橡胶钢衬套
• 5.2.1 有限元模型
• 5.2.2 界面应力分布
• 5.2.3 撕裂能的计算
• 5.2.4 轴向剪切与简单剪切的对比
• 5.3 球形孔洞
• 5.4 钱币型裂纹
• 5.5 本章小结
• 第六章 橡胶钢复合件实例的非线性有限元分析及结构改进
• 6.1 引言
• 6.2 轴箱弹簧
• 6.2.1 设计要求及原结构存在的问题分析
• 6.2.2 轴箱弹簧原结构有限元分析
• 6.2.3 轴箱弹簧的重新设计与改进
• 6.3 卡车橡胶垫
• 6.3.1 设计要求和原结构存在的问题
• 6.3.2 新结构以及分析比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 橡胶材料疲劳寿命预测
• 7.1 引言
• 7.2 用于疲劳分析所需要的参数
• 7.3 带边缘割口的拉伸试件的疲劳寿命分析
• 7.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读博士学位期间完成的学术论文