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剪切橡胶件断裂的有限元分析

发布于:2016-02-22 18:39
有限元分析

      天然橡胶与合成橡胶呈现出很多独特的物理和化学特性,如超弹性、大变形等,且柔软性、耐磨性、绝缘性和阻隔性都十分优良,在工程上的应用非常广泛,如减震弹簧、密封件、轴承、支座等。特别是自20世纪30年代初,橡胶与金属件的粘结技术在国际上取得成功后,橡胶件作为减振元件在工程上获得了越来越广泛的应用。但是橡胶材料的几何和材料双重非线性使得橡胶产品的常规设计非常困难,近些年随着有限元分析技术的发展,人们可以利用大型有限元分析App来对橡胶产品进行非线性有限元分析,大大缩短了设计周期,提高了产品的设计精度。
      为了保证橡胶制品使用时的安全性和可靠性,在产品设计中,研究橡胶材料的断裂特性以及了解橡胶失效的过程与机理具有很重要的意义。工程中橡胶制品通常承受压缩和简单剪切变形,本研究通过有限元App模拟简单剪切情况下橡胶材料的撕裂能与裂纹尺寸的关系,并用所分析的结果说明了工程卡车用橡胶垫的剪切破坏机理应变能释放率(撕裂能)是橡胶材料断裂力学中最有用的一个断裂判据。该方法基于Griffith裂纹增长能量理论,这个概念首先被Rivlin和Thomas成功地用于橡胶的撕裂。
      Rivlin和Thomas对橡胶材料的应变能释放率G的经典定义为:G=-(UA)l式中,U为材料贮存的总体弹性应变能,A为裂纹一侧的面积(在未变形时),所取导数是在固定位移边界条件下,因此外力不作功。Rivlin和Thomas最早使用纯剪切试件研究橡胶的断裂属性,他们采用分区域的分析方法得到并证实了一个理论,即在纯剪切试件中,当裂纹尺寸足够大时撕裂能与裂纹尺寸无关。Lind-ley也对简单剪切试件采用了同样的分区域法,如图所示,一个矩形剪切块,高h,宽w,厚度为t,当承受简单剪切的应变e时,整个矩形块可以分为3个区域,区域2为均匀简单剪切,区域1为靠近边缘的复杂应力区。当在试件粘结处引入裂纹,而裂纹长度足可以与胶块的高度相比时,此时把试件可以分为4个区域,比没引入裂纹前多了一个未变形区域4以及带裂纹尖端的复杂区域3,同纯剪切试件的分析一样,可以认为裂纹扩展一个微小量δc仅仅是使区域3沿裂纹扩展方向移动了,未变形区域4的增加是以缩小均匀简单剪切区域2为代价,上式表明,简单剪切中长裂纹的情况与纯剪切中的长裂纹情况相同,撕裂能都是定值,与裂纹长度无关。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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