abaqus_超弹性橡胶圆盘的Mullins效应和永久变形

1. 问题描述与材料校准

针对实心圆盘，其外直径、内直径和厚度分别为3in、1.75in与0.7in。采用对称模型生成三维模型，选用C3D8R—一阶缩减积分四面体单元进行结构模拟，并开启增强沙漏控制以确保模型的稳定性与精度。在此仿真中，Mullins效应是材料属性的一个关键特性，它描述了填充橡胶材料在变形时产生的应力软化现象。此外，永久变形被模拟为金属塑性材料的行为，而超弹性则通过Yeoh材料模型来描述。

为校准材料参数，一组单向试验数据、一组应力塑性应变试验数据以及包含0.099、0.26与0.51三个应变水平的加载/卸载循环变形试验数据被输入仿真模型中。通过比较仿真结果与实验证据，设定材料参数C10=191.32、C20=4.94、C30=0.53与D1=5×10^6(E5 in^3/lbf)（用于显式分析），使得模型能够重现材料的真实响应行为。Mullins效应与永久变形属性则利用输入的系统数据直接赋值给仿真模型，以便准确反映材料的损伤过程。




问题2：静态分析与滚动分析

在静态分析阶段，圆盘与刚性平面接触，通过位移控制法来评价结构变形。分析分别使用了Abaqus/Standard与Abaqus/Explicit两种计算方法以比较变形量的差异——第一周期变形达到0.15in，第二周期则膨胀至0.22in。

滚动分析则包含了圆盘对刚性平面的滚动运动，初始为刚性面移动0.15in后，在圆盘上施加2.5rad/s的角速度。依次进行了三种不同计算策略：Abaqus/Standard静态分析、Abaqus/Standard稳态传输分析与Abaqus/Explicit显式分析，值得注意的是，所有计算均不考虑摩擦与惯性效应。

结果与讨论

仿真结果揭示了Mullins效应对材料损伤过程的影响，并阐述了材料在不同变形状态下的能量耗散特性，以及不同分析方法对材料动态响应的摄取。应力应变曲线对比显示了模型与实际试验数据在妆饰过程的差异，这归功于材料损伤的渐进性质。Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit两种方法的计算结果虽然在位移时间历程上存在差异，但其整体位移与能量耗散趋势保持一致。

滚动分析中，显著发现材料损伤在材料的应力与位移变化中起到关键作用，使结构表现得更为柔软，尤其是在存在永久变形时。在显式分析方法下，参数的调整提高了时间步长，平稳幅值的选择以及对于总动能的监控确保了问题的准静特性，尤其在稳态传输分析方法中设置一个角速度0.25rad/s与Mullins效应渐变的预热分析步骤，有助于克服在刚性平面滚动过程中材料损伤问题的收敛困难。

进一步分析中，计算模型揭示了Mullins效应对能量损耗与永久应变的量化影响：在接触区域，材料积累损伤与永久塑性变形成显著特征；尚未接触面的材料则未经历损伤或永久变形。