[发明专利]一种橡胶材料应力松弛及损伤效应的数值预测方法

说明书

本发明公开了一种橡胶材料应力松弛及损伤效应的数值预测方法，包括如下步骤：橡胶材料时变松弛‑损伤本构模型的建立；橡胶材料的力学试验测试；将时变松弛‑损伤本构模型应用于有限元软件，构建时变松弛‑损伤本构关系与有限元数值模拟技术的相容性仿真计算方法；根据第二步获得的橡胶材料的力学试验数据，利用第三步建立的相容性仿真计算方法对橡胶材料时变松弛‑损伤本构模型的关键参数进行拟合识别；根据建立的时变松弛‑损伤本构模型及识别的参数，通过第三步建立的相容性仿真计算方法，对橡胶材料的时变松弛行为及损伤变形数值进行模拟预测。本发明所公开的方法可对不同加载水平的橡胶材料应力松弛及损伤残余特性进行全面分析，预测精确。

技术领域

本发明涉及材料分析技术领域，特别涉及一种橡胶材料应力松弛及损伤效应的数值预测方法。

背景技术

橡胶材料因其质量轻、耐腐蚀性强、非线性刚度及多向刚度等优点，广泛应用于汽车、船舶、电子、建筑及机械等工程领域，具有重要的实际应用价值。在实际作业中，橡胶材料呈现不可避免的时变应力松弛特性，影响其工作性能及使用寿命。橡胶材料的应力松弛是指，当外界加载位移保持某一恒定数值时，材料内部应力随时间缓慢衰减的现象。应力松弛严重影响橡胶材料及其制品的力学性能稳定性(如：内部应力衰减、静刚度退化等)。

橡胶材料的松弛变形可分为弹性变形与不可恢复残余变形。其中，橡胶材料的弹性变形在外界加载位移去除后即可恢复；但不可恢复的残余变形与加载时间、位移幅值有关，即使外界松弛载荷移除后，该残余变形仍然存在，整体表现为橡胶材料的宏观损伤效应。松弛卸载后的残余变形将影响橡胶材料的几何尺寸稳定性，进而影响橡胶制品与其它关联结构之间的配合关系。因此，准确预报橡胶材料的应力松弛行为及松弛-损伤变形效应对其工程应用具有十分重要的意义。

建立准确合理的本构模型是进行橡胶应力松弛-损伤特性分析的基础，所建立的本构模型将决定橡胶数值模拟能否全面表征材料的松弛行为及不可恢复损伤变形效应。此外，将所建立本构模型与现有数值模拟技术结合，构建准确的数值分析方法对橡胶制品的松弛性能预测尤为关键。

目前，数值模拟技术(有限元商业软件)中关于橡胶材料的内置本构模型主要集中在超弹性模型和粘弹性模型两类。其中，超弹性本构模型可描述橡胶的非线性大变形特性，但不可表征与时间相关的应力松弛行为；粘弹性本构模型可描述橡胶材料的时变松弛特性，但不可表征位移载荷相关的不可恢复损伤变形。由此可见，仅采用上述材料模型或者上述模型的组合叠加模型均不可对橡胶材料的应力松弛及损伤效应进行全面分析。如果模拟预测的橡胶材料松弛特性与实际情况不符，将会导致设计无效或者服役状态受损，影响橡胶制品乃至整体系统的正常使用，造成工程及经济损失。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种橡胶材料应力松弛及损伤效应的数值预测方法，以达到可对不同加载水平的橡胶材料应力松弛及损伤残余特性进行全面分析的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种橡胶材料应力松弛及损伤效应的数值预测方法，包括如下步骤：

第一步：橡胶材料时变松弛-损伤本构模型的建立；

第二步：橡胶材料的力学试验测试；

第三步：将时变松弛-损伤本构模型应用于有限元软件，构建时变松弛-损伤本构关系与有限元数值模拟技术的相容性仿真计算方法；

第四步：根据第二步获得的橡胶材料的力学试验数据，利用第三步建立的相容性仿真计算方法对橡胶材料时变松弛-损伤本构模型的关键参数进行拟合识别；

第五步：根据建立的时变松弛-损伤本构模型及识别的参数，通过第三步建立的相容性仿真计算方法，对橡胶材料的时变松弛行为及损伤变形数值进行模拟预测。

上述方案中，所述第一步的具体方法如下：