文档介绍：板式橡胶支座的有限元分析
板式橡胶支座的有限元分析
摘要:介绍了如何使用solidworks对板式橡胶支座进行非线性有限元分析。
关键词:板式橡胶支座;非线性有限元分析; Mooney-Rivlin模型
中图分类号: 文献标识码: A
板式橡胶支座是目前桥梁支座中应用比较广泛的支座,但是由于橡胶材料是弹性材料,橡胶在硫化后分子结构形成网状立体布置,从而成为一种体积几乎不发生变化,所以相比球型支座和盆式支座而言,采用solidworks的应力分析模块对此产品进行分析验算更困难,经过查阅大量的资料文献及我公司技术部的长期研究,总结出了对于板式橡胶支座的有限元分析方法,现我们任意选取了圆形板式橡胶支座,对其进行有限元分析。
该支座直径为200mm,高度为42mm,内部硫化了6层加劲钢板,每层钢板厚度为2mm,钢板直径为190mm,钢板之间橡胶层厚度为5mm,承载性能为284kN。将此板式橡胶支座进行三维建模后,进行非线性静态有限元分析。进入界面后,首先,对该支座进行参数设定。
1施加载荷
直接从支座顶部设置向下284kN的力。
2设定约束
给定支座底板固定约束。
3设定材料系数
橡胶材料系数
橡胶类材料的非线性使人们很难用数值技术模拟出的各种模型结构描述其应力-应变-位移关系。过去的几十年,人们主要用罚有限元、混合元和杂交元等方法对橡胶的非线性进行分析,其中Mooney和Rivlin提出的Mooney-Rivlin模型在工程中有广泛的应用,还有一种使用Yeoh模型进行有限元分析。Mooney-Rivlin模型几乎可以模拟所有橡胶材料进行力学分析,主要适用于材料的中小变形,要求拉压变形不超过25%的范围内,但该模型不能模拟多轴受力数据,由一些常规实验得到的数据并不能描述其全部的变形行为。而Yeoh比较适用于模拟炭黑填充NR的大变形位移,并且可以用简单的单轴拉伸试验数据模拟其力学模型,当材料变形较大时,计算结果也会不准确。本文使用Mooney-Rivlin模型对其进行力学分析,橡胶材料的单轴加载计算通常取Mooney-Rivlin模型的二项式:
(1)
初始剪切模量G与材料常数的关系为:
(2)
式(1)、(2)中材料常数、可由多组实验确定,但测试的结果受到时间、滞后效应及材料不均匀性等因素的影响,在实际工程应用中不是很实用,因此我们引用弹性模量,以下关系为:
假设材料为不可压缩的,初始拉伸弹性模量为:
(3)
假设材料为可压缩的,则初始拉伸弹性模量为:
(4)
初始拉伸弹性模量即为杨氏模量,由以上公式可得知材料常数与杨氏模量有着密切的关系,这里我们通过以下几种方法对此杨氏模量进行求解。
利用硬度计测得橡胶的硬度,橡胶硬度与杨氏模量之间的关系为:
(5)
指定=0,即得到一个neo—Hookean Mooney-Rivlin材料模型1。
利用剪切试验,在橡胶板上粘贴应变片测得应力—应变曲线,再取一点算出剪切模量G,指定=0,即得到一个neo—Hookean Mooney-Rivlin材料模型2。
利用拉伸