[发明专利]创建适于计算机辅助工程分析的橡胶类材料的数值模型的方法和系统在审

专利信息
申请号: 201510076542.1 申请日: 2015-02-12
公开(公告)号: CN104951587A 公开(公告)日: 2015-09-30
发明(设计)人: 威廉·W·冯;约翰·奥·哈尔奎斯特 申请(专利权)人: 利弗莫尔软件技术公司
主分类号: G06F17/50 分类号: G06F17/50
代理公司: 深圳新创友知识产权代理有限公司 44223 代理人: 江耀纯
地址: 美国加*** 国省代码: 美国;US
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摘要:
搜索关键词: 创建 适于 计算机辅助 工程 分析 橡胶 材料 数值 模型 方法 系统
【说明书】:

技术领域

发明总地涉及计算机辅助工程(CAE)分析(例如,有限元分析),更具体地,涉及用于基于双向拉伸试验中获得的结果创建适于计算机辅助工程分析的橡胶类材料的数值模型的方法和系统。

背景技术

橡胶类材料(例如,人造橡胶)已经多年被用于各种产业(例如,汽车、航空器等)的许多零件和结构中。但是除了弹性性能外,人造橡胶的机械性能(例如,应力-应变或者应力-拉伸比关系)仍然没有被清楚地定义;因此,这些结构的设计和分析(尤其是用于计算机辅助工程中)通常仅基于人造橡胶的弹性性能进行。事实上,人造橡胶具有非弹性效应,例如马林斯(Mullins)效应、黏弹性、以及长期流变学行为,且非弹性特性的幅度经常足够大以至于它们不应该被忽略。

人造橡胶在其原始状态对于初始负荷呈现相对较硬的响应。当人造橡胶被负载、接下来卸载、然后重新负载,应力应变关系遵循显著更软的路径。在几个卸载-重新负载周期后,应力-应变关系稳定下来,随后的卸载-重新负载周期折回应力应变曲线中的稳定路径。在此描述的人造橡胶的非弹性材料行为被称为Mullins效应,其中应力-应变关系取决于之前遇到的最大负荷。

到目前为止,用于确定人造橡胶的非弹性性能的分析和实验研究很少有尝试。这是由于对人造橡胶的机械学的研究必须考虑几何和材料非线性特性。附加效应、以及缺少描述这些现象的适当本构方程式使得分析和实验研究非常困难。

现有技术中的数学方程式(也就是,本构方程式)不足以表示人造橡胶的真实行为。一种现有技术中的本构方程假定负载和随后的重新负载路径是相同的,这不能表示人造橡胶的真实行为,因为人造橡胶在随后的重新负载路径中应该比在初始的负载路径中变得更软。

此外,虽然一些现有技术的方法采用损害函数来表示卸载和重新负载阶段中的Mullins效应,但是损害函数是依赖于尺寸的,且与橡胶类材料的应力有关。因此,很难在真实世界的应用中关联和应用这样的损害函数。

因此,期望有改进的方法和系统,来创建适于计算机辅助工程分析的具有Mullins效应的橡胶类材料的数值模型。

发明内容

本申请公开了用于基于双向拉伸试验中获得的结果创建具有Mullins效应的橡胶类材料的数值模型的系统和方法。根据本发明的一方面,获得感兴趣的橡胶类材料的样本的双向拉伸试验的试验结果(也就是,压力对比极点位移数据)。所述双向拉伸试验包括至少负载、卸载和重新负载阶段。基于压力对比极点位移数据,确定门尼-里夫林(Mooney-Rivlin)本构方程的第一组数值常量。Mooney-Rivlin本构方程被用作负载阶段的橡胶类材料的应变-能量密度函数。然后,确定卸载阶段损害函数的第二组数值常量。卸载阶段损害函数被用于修改卸载阶段的应变-能量密度函数,且包含具有无量纲算子的双曲正切函数,该无量纲算子包括在卸载阶段之前立即发生的峰值应变能量值。接下来,确定随后的重新负载阶段损害函数中的第三组数值常量。所述随后的重新负载阶段损害函数被用于修改重新负载阶段中的应变-能量密度函数。最后,通过将Mooney-Rivlin方程、卸载阶段损害函数和随后的重新负载阶段损害函数以及第一、第二和第三组数值常量相结合,创建适于至少部分由橡胶类材料制成的产品的计算机辅助工程分析的橡胶类材料的数值模型。

通过以下结合附图对具体实施方式的详细描述,本发明的其他目的、特征和优点将会变得显而易见。

附图说明

参照以下的描述、后附的权利要求和附图,将会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点,其中:

图1是根据本发明一个实施例的创建感兴趣的橡胶类材料的数值模型的示范性过程的流程图,该数值模型适于至少部分由该橡胶类材料制成的产品的有限元分析;

图2是根据本发明一个实施例的在负载-卸载-重新负载阶段下呈现Mullins效应的橡胶类材料的示范性应力对比拉伸率关系(曲线)的示意图;

图3A是示范性的橡胶类材料性能确定系统(也就是,双向拉伸试验设备)的示意图;

图3B是图3A中的双向拉伸试验设备的侧面正投影视图;

图3C是图3A中的示范性双向拉伸试验设备的组件的示意图;

图4是由图3A的橡胶类材料性能确定系统生成的示范性压力对比极点位移曲线的示意图;

图5A列出了Mooney-Rivlin本构方程;

图5B列出了根据本发明的实施例使用的损害函数;

图6是根据本发明一个实施例的试验结果和计算的数据之间的相互关系的示意图;以及

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