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基于超弹性本构参数识别的橡胶衬套耐久性仿真研究

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汽车技术 2021年第11期 55-62页

作者：程稳正张志远徐京涛楼位鹏刘海峰吉利汽车研究院(宁波)有限公司宁波315000

为解决道路试验中扭力梁衬套开裂的问题,基于虚拟试车场(VPG)仿真道路载荷谱,考虑三轴耦合编制了衬套三轴块谱作为疲劳仿真和台架试验的载荷输入,以某种橡胶材料超弹性初始本构参数为基础,分别按Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型计算衬套3... 详细信息

为解决道路试验中扭力梁衬套开裂的问题,基于虚拟试车场(VPG)仿真道路载荷谱,考虑三轴耦合编制了衬套三轴块谱作为疲劳仿真和台架试验的载荷输入,以某种橡胶材料超弹性初始本构参数为基础,分别按Mooney-Rivlin模型和Yeoh模型计算衬套3个方向的静刚度曲线,并与实际测试曲线比较定义优化目标,优化后的超弹性本构参数的刚度曲线与实测曲线吻合良好。利用裂纹扩展法预测橡胶衬套寿命,仿真结果与台架试验结果吻合良好,并以此为基础对衬套结构进行了优化,优化后衬套疲劳寿命明显提升。

关键词：橡胶衬套块谱静刚度超弹性本构参数优化疲劳寿命

基于超弹性本构绝对节点坐标四面体单元模型研究

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基于超弹性本构绝对节点坐标四面体单元模型研究

作者：鲍康文上海工程技术大学

学位级别：硕士

随着软体仿生机器人领域的发展,该类在运动过程中会产生大变形的力学系统受到广泛关注。这种具有高度非线性的动力学系统在建模过程中需要考虑模型的几何非线性和材料非线性,从而成为领域内研究的难点和热点。本文采用绝对节点坐标法(AN... 详细信息

随着软体仿生机器人领域的发展,该类在运动过程中会产生大变形的力学系统受到广泛关注。这种具有高度非线性的动力学系统在建模过程中需要考虑模型的几何非线性和材料非线性,从而成为领域内研究的难点和热点。本文采用绝对节点坐标法(ANCF)对这类大变形系统进行了研究,该方法的好处在于节点广义坐标定义在绝对坐标系下。在由单元运动微分方程组装成系统运动微分方程时,无需坐标转化,方便系统运动微分方程的建立,并且利于求解。目前,已开发的绝对节点坐标单元大多是线弹性材料的平面梁、板、壳和体单元,对于具有超弹性特性的体单元还需要进一步研究。也有研究者通过将绝对节点坐标法与超弹性本构建立模型关系,研究了许多具有超弹性特性的梁、板、壳的大变形模型,但对绝对节点坐标体单元的分析还很少。本文对四面体单元进行了大量的研究,构建了超弹性本构绝对节点坐标四面体单元的弹性力列阵和雅可比矩阵,并通过Matlab求解分析了超弹性本构绝对节点坐标四面体模型的力学特性。本文所做的具体工作如下:(1)首先介绍了柔性多体系统动力学的发展进程,并阐述了绝对节点坐标法的研究概况。同时,对绝对节点坐标法体单元相关的研究成果进行了综述。最后详细介绍了不可压缩超弹性材料模型在绝对节点坐标法当中的应用。(2)在研究绝对节点坐标四面体单元笛卡尔坐标与体积坐标关系的基础上,构建了体积坐标表示的动能和应变能。再利用拉格朗日方程求出了线弹性绝对节点坐标四面体单元的运动学方程。最后利用Matlab分析了模型的力学特性。分析结果显示,绝对节点坐标四面单元的收敛精度与Abaqus二次四面体一致,在分析不同时刻模型的瞬态响应时,绝对节点坐标四面体单元模型变形比Abaqus的变形大,也证明了绝对节点坐标四面体单元可适用于大变形分析。(3)基于三种不同的超弹性模型(Neo-Hookean、Mooney-Rivlin和Yeoh),推导了绝对节点坐标四面体单元的弹性力列阵和雅克比矩阵,构建了超弹性绝对节点坐标四面体单元的运动微分方程,并利用Matlab分析了该单元的力学特性。分析结果显示,绝对节点坐标四面体单元下的三种超弹性模型与Abaqus软件下的三种超弹性模型在收敛性和精度上结果一致。本文还建立Abaqus橡胶梁模型做对照,结果表明三种绝对节点坐标四面体超弹性模型与橡胶梁模型变形结果一致,证明了所建模型的正确性。

关键词：绝对节点坐标法四面体单元超弹性本构动力学

热隔膜成形中隔膜材料性能测试及本构模型选择

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北京航空航天大学学报 2023年

作者：赵月青林德志陈汇汤家力陈萍上海飞机制造有限公司复合材料中心

隔膜本构模型的选择直接关系到热隔膜成形仿真的精度。为了分析五种超弹性本构对于不同隔膜材料的适用性，对尼龙隔膜和硅橡胶隔膜两种不同类型的隔膜材料进行不同温度单轴拉伸测试，通过应力应变曲线、断裂延伸率和模量分析两类材料的... 详细信息

隔膜本构模型的选择直接关系到热隔膜成形仿真的精度。为了分析五种超弹性本构对于不同隔膜材料的适用性，对尼龙隔膜和硅橡胶隔膜两种不同类型的隔膜材料进行不同温度单轴拉伸测试，通过应力应变曲线、断裂延伸率和模量分析两类材料的性能差异；采用五种超弹性本构模型分别对隔膜材料的单轴拉伸试验数据进行拟合，并将试验数据与隔膜材料的单轴拉伸和热隔膜成形过程仿真数据进行对比。结果表明，橡胶类隔膜材料具有比尼龙隔膜更大的断裂延伸率，但是其模量远小于尼龙类隔膜材料。Ogden、Polynomial(N=2)和Marlow模型对于尼龙隔膜和橡胶隔膜单轴拉伸数据均具有比较高的拟合度，Yeoh模型对尼龙隔膜单轴拉伸数据拟合度较低，对橡胶隔膜的拟合度比较高。Mooney Rivlin模型无法准确地反映大变形状态下超弹性材料的应力-应变关系，对两种隔膜材料的单轴拉伸数据拟合度都比较低。以单轴拉伸数据建立的Ogden和Polynomial(N=2)在热隔膜成型模拟时存在过刚现象，而Marlow模型则具有很高的预测精度。

关键词：隔膜热隔膜成形超弹性本构断裂延伸率有限元仿真

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应变隔离垫面外拉伸力学性能研究

强度与环境 2023年第4期50卷 1-7页

作者：陆毛须吴振强李金铭郝自清刘刘北京理工大学宇航学院力学系北京100081 北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室北京100076

应变隔离垫是重复使用飞行器刚性防热瓦热防护结构的重要组成部分,通过硅胶与冷结构和防热瓦进行粘接,应变隔离垫面外力学性能以及其与冷结构之间的粘接性能直接影响着飞行器使用安全,也是评估热防护系统可重复使用性能的基础性能参数... 详细信息

应变隔离垫是重复使用飞行器刚性防热瓦热防护结构的重要组成部分,通过硅胶与冷结构和防热瓦进行粘接,应变隔离垫面外力学性能以及其与冷结构之间的粘接性能直接影响着飞行器使用安全,也是评估热防护系统可重复使用性能的基础性能参数。本文设计了应变隔离垫试验件,通过静载力学试验,获得了SIP在常温环境下(25℃)下拉伸应力-应变曲线及失效模式,应力-应变曲线表现出明显的大变形、非线性特征。建立了应变隔离垫的超弹性本构模型,结合有限元数值方法对SIP常温拉伸力学行为进行仿真分析,模拟结果和试验吻合较好。开展了100℃、120℃以及150℃高温环境下SIP面外拉伸试验,结果表明SIP的拉伸刚度和强度具有温度敏感性,与粘结工艺密切相关,拉伸强度较室温条件下分别下降了50.7%、70%、77%。上述研究成果能够为飞行器热防护系统的服役性能评估和工艺优化提供技术支撑。

关键词：刚性防热瓦应变隔离垫超弹性本构高温力学性能

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碳棒格栅增强橡胶复合材料的剪切失稳研究

碳棒格栅增强橡胶复合材料的剪切失稳研究

作者：孟政委南昌大学

学位级别：硕士

设计碳棒格栅增强橡胶复合材料,是为了适应结构发生大幅度剪切变形,例如:变体飞行器通过剪切变形实现机翼面积大幅度改变等。由于橡胶蒙皮材料厚度较小,抗弯曲刚度很小,在剪切变形下极易产生褶皱失稳现象,且工程中通常将褶皱失稳的出现... 详细信息

设计碳棒格栅增强橡胶复合材料,是为了适应结构发生大幅度剪切变形,例如:变体飞行器通过剪切变形实现机翼面积大幅度改变等。由于橡胶蒙皮材料厚度较小,抗弯曲刚度很小,在剪切变形下极易产生褶皱失稳现象,且工程中通常将褶皱失稳的出现认为是结构的一种失效模式,所以对于碳棒格栅增强橡胶复合材料而言,提高抵抗褶皱的能力对于碳棒格栅增强橡胶复合材料的优化设计显得尤其重要。首先对橡胶基体进行了单轴拉伸、单轴压缩、平面拉伸三类基础力学试验,将试验结果与常用的几类超弹性本构模型进行拟合,并基于拟合优度、拟合曲线与试验曲线相似性、相对偏差三方面,对拟合效果进行了评估。结果表明:三类拟合效果评估方法各有优缺点,将三类方法结合使用可以更为准确地对超弹性模型的拟合效果进行评估;基于评估结果,选用Yeoh作为适用橡胶基体的超弹性本构模型。其次采用设计的试验夹具进行了剪切试验,并通过光学数字散斑测量法探究了碳棒格栅增强橡胶复合材料的变形响应,包括褶皱失稳起始角度、现象和面外变形量。结果表明:设计的试验夹具可以完成剪切变形的施加;通过光学数字图像测量系统GOM/ARAMIS 5M可以获得褶皱失稳起始角度、面外变形云场和面外变形量,并结合试验曲线分析方法,可以实现对褶皱失稳起始角度的精确表征。最后将基础有限元模型从褶皱失稳的起始角度、试验现象以及面外变形量三个方面展开与试验结果对比,结果表明:基础有限元模型分析结果与试验结果较为吻合,并对存在的偏差给出合理解释;最后主要讨论不同初始角度、不同橡胶基体蒙皮厚度、不同细碳棒间距以及不同粗碳棒间距对于褶皱失稳影响,结果表明:各类影响因素的改变对于褶皱失稳起始角度、现象以及面外变形量影响都较大。

关键词：增强橡胶复合材料超弹性本构剪切失稳有限元

基于ANCF的单节气动软体机械臂动力学及逆动力学研究

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基于ANCF的单节气动软体机械臂动力学及逆动力学研究

作者：尚志坚西安理工大学

学位级别：硕士

相比于传统的刚性机械臂,软体机械臂以其高灵活性、高适应性、高安全性等优点在军工、医疗、探测、航天航空等领域具有更广泛的应用前景,同时也是软体机器人研究领域的热点之一。然而由于软体机械臂的高自由度、低刚性以及易受外力和约... 详细信息

相比于传统的刚性机械臂,软体机械臂以其高灵活性、高适应性、高安全性等优点在军工、医疗、探测、航天航空等领域具有更广泛的应用前景,同时也是软体机器人研究领域的热点之一。然而由于软体机械臂的高自由度、低刚性以及易受外力和约束影响等特点,致使建立和求解软体机械臂的静力学、动力学和逆动力学模型变得较为困难。本文采用基于绝对节点坐标法的低阶梁单元,建立了单节气动软体机械臂的静力学模型、动力学模型和逆动力学模型,并分别对软体机械臂在不同负载下的末端点工作空间、不同驱动气压下轴线位姿和末端点位置以及机械臂末端点位置的前馈控制系统进行了研究。主要工作内容如下:首先,采用基于绝对节点坐标法的三维二节点低阶梁单元建立了软体机械臂的系统静力学和系统动力学方程,推导了广义弹性力及其雅可比矩阵、广义气压力及其雅可比矩阵、约束方程及其雅可比矩阵。其次,根据机械臂的系统静力学方程计算了软体机械臂在同气压不同载荷条件下的末端点工作空间,并对工作空间的变化情况进行了分析;通过机械臂的系统动力学方程分别计算了软体机械臂在同负载不同气压条件下的轴线姿态和末端点位置,并与ABAQUS软件的仿真结果进行了对比验证。最后通过对系统动力学方程引入目标轨迹约束条件,建立了软体机械臂逆动力学方程,由此设计了软体机械臂末端点位置的前馈控制系统,并以三种不同的目标轨迹算例验证了该控制系统的可行性。

关键词：软体机械臂绝对节点坐标法超弹性本构动力学模型逆动力学模型

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超弹性本构模型在离合器有限元分析中的应用

超弹性本构模型在离合器有限元分析中的应用

2023中国汽车工程学会年会暨展览会

作者：康一坡闫博张尤龙刘明远汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室中国第一汽车股份有限公司研发总院

合理选择摩擦衬片材料本构模型对于正确进行离合器有限元分析具有重要意义。本文以湿式离合器为研究对象,应用摩擦片压缩性能试验测试了摩擦片压力-变形曲线,在此基础上,基于摩擦片几何参数推导出摩擦衬片材料名义应力-应变数据,并采用... 详细信息

合理选择摩擦衬片材料本构模型对于正确进行离合器有限元分析具有重要意义。本文以湿式离合器为研究对象,应用摩擦片压缩性能试验测试了摩擦片压力-变形曲线,在此基础上,基于摩擦片几何参数推导出摩擦衬片材料名义应力-应变数据,并采用超弹性本构模型表征了数据之间的强非线性关系。通过开展摩擦片压缩性能计算,将摩擦片压力-变形计算曲线与试验曲线对比,修正了超弹性本构模型压缩性能参数。最后将完备的超弹性本构模型应用在离合器系统轴向变形有限元计算中,经试验验证表明,离合器系统压力-变形计算曲线与试验曲线基本一致,吻合较好,验证了超弹性本构模型表征摩擦衬片材料力学性能合理,预测的离合器系统轴向变形有效。

关键词：离合器摩擦片超弹性本构有限元泊松比

来源： cnki会议评论

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孔隙固体超弹性本构模型与应用

工程力学 2019年第7期36卷 248-256页

作者：马康程晓辉清华大学土木工程系

油气井封固、核废料填埋与浅层地热能利用等问题是能源岩土领域的研究热点。土体、岩石、混凝土材料的多场耦合本构模型理论是这些研究热点问题的核心所在。传统固体弹塑性力学、岩土力学与孔隙固体力学理论相比,由于其基本假设或构建... 详细信息

油气井封固、核废料填埋与浅层地热能利用等问题是能源岩土领域的研究热点。土体、岩石、混凝土材料的多场耦合本构模型理论是这些研究热点问题的核心所在。传统固体弹塑性力学、岩土力学与孔隙固体力学理论相比,由于其基本假设或构建手段的局限性,其关于岩石与混凝土材料的变形计算往往会产生较大误差,且理论扩展性不强。该文分别从饱和岩土力学理论、经典Biot孔隙弹性力学理论出发,阐述其在孔隙固体材料本构理论的相关研究工作,并进行梳理与对比;其后运用严格物理热力学理论框架,建立孔隙固体材料的超弹性本构模型;最后针对石灰石与水泥石的既有试验数据,验证孔隙固体超弹性本构模型的有效性。

关键词：岩土力学 Biot孔隙固体弹性热力学超弹性本构弹性模量

基于超弹性PDMS的摩擦纳米发电机的性能研究

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北京理工大学学报 2020年第3期40卷 250-253,281页

作者：王晓力牛志皓杨潍旭北京理工大学机械与车辆学院北京100081

常用于摩擦纳米发电机的聚二甲基硅氧烷是一种超弹性聚合物,但迄今对其理论分析均采用线弹性本构假设,没有通过实验证明其是否有效.首先基于超弹性本构对PDMS摩擦纳米发电机的接触力学和静电感应性能进行仿真;其次通过光刻和复型工艺制... 详细信息

常用于摩擦纳米发电机的聚二甲基硅氧烷是一种超弹性聚合物,但迄今对其理论分析均采用线弹性本构假设,没有通过实验证明其是否有效.首先基于超弹性本构对PDMS摩擦纳米发电机的接触力学和静电感应性能进行仿真;其次通过光刻和复型工艺制备了PDMS金字塔织构,构建了摩擦纳米发电机实验装置,并将实验与理论结果对比.研究表明:随着施加压力增大,摩擦纳米发电机的接触面积和开路电压均随之增加,之后趋于稳定;相比于超弹性本构,采用线弹性本构高估了金属与PDMS的接触面积,低估了使摩擦纳米发电机开路电压稳定所需施加的压力;采用超弹性PDMS本构的仿真结果与实验更为吻合.

关键词：超弹性本构聚二甲基硅氧烷(PDMS) 接触变形静电感应摩擦纳米发电机