ANSYS Workbench分析实例之橡胶件扩张过程仿真

橡胶扩张变形过程的非线性仿真分析与电缆冷缩终端抱紧力研究


引言

橡胶材料的扩张变形是一个典型的非线性过程，其中涉及到材料、几何、以及状态三种类型的非线性现象。材料是非线性的，因它们具有典型的超弹性性质，应变与应力之间呈现复杂的非线性关系；几何非线性体现在扩张过程中应变量显著增大，导致了形状和尺寸的非线性变化；而状态非线性则源自于扩张过程中的接触和变形状态的变化。本文将通过ANSYS Workbench的Static Structural模块，对电缆冷缩终端的橡胶件扩张过程进行仿真分析，进而得到冷缩终端的抱紧力。

模型设定与参数选择


材料特性

选择Ogden 3rd Order本构方程来描述橡胶材料的超弹性性能，在ANSYS中通过Toolbox中的Ogden 3rd Order模型构建材料模型。根据ANSYS帮助文档提供的特性参数，共计8个，分别为：




λ₁ = 43438 Pa


λ₂ = 1.3


λ₃ = 82.74 Pa


λ₄ = 5


λ₅ = 698.5 Pa


λ₆ = 2


λ₇ = 2.9E8 Pa^−1


λ₈ = 0 Pa^−1


模型建立与分析设置


冷缩终端模型

为了降低计算量并保持精度，采用归纳法，选择电缆冷缩终端的半纵向截面进行平面轴对称分析。使用CAD软件绘制冷缩终端模型，并导入至ANSYS中的SCDM界面。将模型分为主电缆面（“电缆”）和终端接触区域面（“终端”）。

分析类型与参数设置

设定分析类型为2D轴对称，并在“Mechanical”单元中具体配置几何属性。将轴对称行为设置为“Axisymmetric”，复选电缆材料，暂时采用“Structural Steel”作为电缆的默认材料，终端材料则设置为从步骤2中创建的“RUBER”。

接触设置


配置接触类型为摩擦接触，摩擦系数调整为0.1。


应用法向拉格朗日算法来处理接触问题。


通过偏移目标面的方法模拟橡胶扩张的10mm增厚过程。


计算细节

进行自由网格划分，选择非线性结构的物理选项，单元阶数设置为线性（低阶），网格尺寸设定为1mm，确保精度与求解效率的平衡。

打开自动时间步设置，并采用子步形式进行时间步划分，初始子步设置为200，最小子步设定为100，最大子步为400，确保分析的详细性和收敛性。

使用大变形分析方法以适应非线性反应。


结果与分析

计算完成后，通过提取变形结果分析了橡胶件的扩张过程和最终状态，计算出的抱紧力显示出电缆与终端紧固件之间的性能表现，反映了在扩张过程中的接触和非线性力传递特性。