基于Abaqus的一种橡胶疲劳寿命预测方法的探讨

劳寿命结果导入到 Abaqus 中进行后处理，查看橡胶产品的疲劳寿命情况。 2.1 材料本构模型及参数 产品中衬套和心轴均是采用金属材料 Q235A 制作，橡胶部分采用天然橡胶制作。橡胶 材料是一种具有超弹性、黏弹性特质的材料，本文采用 Ogden 本构模型来模拟该橡胶材料 属性，其应变能密度形式如下：
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本文分析时采用的橡胶胶料硬度为 55 shore A，计算时 Ogden 模型取 5 阶参数；金属部 分材料计算弹性模量取为 210GPa，泊松比取 0.3，屈服极限值为 235MPa。 2.2 疲劳材料属性 该模型主要橡胶和钢材两种材料组成。两种的疲劳材料属性分别由如下方法得到。 2.2.1 金属材料参数 钢材为韧性钢，材料牌号 Q235A，屈服强度 235MPa，极限拉伸强度为 309MPa，密度 为 7710e-9kg/mm3。 钢材的疲劳分析材料属性可利用 FE-Safe 软件的 Seeger 疲劳性能预测技 术来得到 Q235 近似拟合的 S-N 曲线， E 取 200GPa，为了得到保守的计算结果，极限拉伸 强度 UTS 取 309MPa，根据弹性模量 E 和极限拉伸应力 UTS 拟合得到的 S-N 曲线如图 2。 由于在所有的循环载荷下，结构钢应力水平比较低，属于高周疲劳破坏，所以在疲劳分 析中选取疲劳算法时，选取考虑轴力和剪力的多轴疲劳算法(Shear+Direct)Stress:-Morrow 进 行疲劳寿命计算，计算中都考虑了平均应力修正，设置 107 为极限循环次数，对应的疲劳极 限应力为 125MPa。 钢材的表面粗糙度为 6.4um， 在 FE-Safe 中表面粗糙度设置为 4um-16um。
从以上应力场分析中可以看出， 铁件部分在两种疲劳载荷工况下都没有产生任何疲劳损 伤，故可视其为无限寿命，以下只对有疲劳损伤产生的橡胶部分作疲劳寿命分析。 垂向疲劳试验：如图 9 所示，为产品垂向疲劳寿命云图，从图 9 可以看出，橡胶部分的 最短寿命为 3.613e+04 次，最短寿命区域主要在橡胶与心轴最底端相接触处，如图 10 所示，计算得到的破坏区域与产品疲劳试验时的破坏区域相吻合。
图 2 钢材的疲劳寿命曲线 2.2.2 橡胶材料计算参数 由于预先对本次分析的橡胶材料进行了大量的基础试验，提取了其 S-N 曲线。因此在
Fe-safe 中的橡胶疲劳属性可以直接采用实验测试 S-N 曲线。由于橡胶材料实验曲线是应力 寿命曲线，计算中选取疲劳算法时，仅考虑应力疲劳算法，所以选取考虑轴力和剪力的多轴 疲劳算法(Shear+Direct)Stress:-Morrow 进行疲劳寿命计算，计算中都考虑了平均应力修正， 设置 107 为极限循环次数，对应的疲劳极限应力为 0.8MPa；最后将 Matlab 中拟合的 S-N 曲 线导入 Fe-safe 中得到 Fe-safe 中橡胶的 S-N 曲线如图 3。
橡胶材料能承受大应变而不会发生永久性的变形和断裂，这使得它广泛地应用在轮胎、 减震器、密封件、软管、皮带、结构轴承、保险杠、医用设备、鞋类等等。这些产品主要用 在准静态和循环变化应变的环境下，所以橡胶产品疲劳寿命是产品质量合格的主要指标之 一。对于橡胶类产品，目前主要是通过疲劳试验来确定其疲劳寿命，然而这种方法具有成本 高、周期长的特点，很难对各类型产品都进行疲劳寿命测定试验。为此，本文提出一种基于 Abaqus 的橡胶疲劳寿命预测方法，通过有限元仿真模拟，达到橡胶疲劳寿命预测的目的。 影响橡胶产品结构的疲劳寿命的因素有很多， 橡胶的裂纹扩展和晶核形成是橡胶疲劳的主要 考虑因素， 目前国内外研究橡胶疲劳的主要方法有裂纹扩展和晶核形成。 按照应力和应变分 法， 晶核形成疲劳分析方法可以分为应力疲劳和应变疲劳， 本文将使用应力寿命分析法来计 算橡胶件在各种循环载荷下的疲劳寿命。
基于 Abaqus 的一种橡胶疲劳寿命预测方法的探讨
刘柏兵 王永冠 卜继玲 黄友剑 中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲，412007 摘 要 本文结合具体产品分析，提出一种基于 Abaqus 的橡胶疲劳寿命预测方法，通过有限元仿真模拟技 橡胶 疲劳寿命 Abaqus
术，达到对橡胶产品疲劳寿命预测的目的。 关键词
图 3 橡胶的疲劳寿命曲线
2.2.3 几何模型处理 该产品在实际应用中， 具有大形变的特点， 所以在 ABAQUS 中处理有限元离散模型时， 对于橡胶部分的网格， 需要根据预判其在外载荷作用下的变形情况而做出相应网格调整， 以 保证模型在计算过程中的收敛性。处理后的有限元离散模型如图 4 所示。铁件部分采用 C3D8R 单元，橡胶部分采用 C3D8H 单元，共 17814 个单元。模型垂向ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ荷和水平载荷施加 情况如图 4 所示。
图 7 橡胶部分的拉应力云图分布
图 8 橡胶部分的压应力云图分布
4 疲劳分析结果
将以上计算得到的应力场分布 ODB 结果文件导入到专业疲劳分析软件 Fe-safe 中进行 疲劳寿命分析。由于 Fe-safe 只是一个求解软件，不能进行后处理，将计算得到的疲劳寿命 分析结果文件保存为 ODB 格式导入到 Abaqus 中进行后处理。其疲劳寿命分析分布云图如 下所示：
破损区域
图 9 产品垂向疲劳寿命云图
图 10 产品垂向疲劳试验图
水平疲劳试验：如图 11 所示，为产品水平疲劳寿命云图，从图 11 可以看出，橡胶部分 的最短寿命为 1.319e+05 次，最短寿命区域主要在橡胶与心轴相接触的中心部分靠近对 称面处。
图 11 产品水平疲劳寿命云图
5 结论
通过对以上锥形橡胶弹簧的有限元分析，可以得出结论：在基于 Abaqus 计算得到的应 力场分布的基础上， 借助 Fe-safe 求解器， 对橡胶类产品进行疲劳寿命预测的方法是可行的， 并且在准确的应力场分布和材料疲劳参数条件下，可以得到较高的计算精度。 参考文献
1 产品结构介绍
本文以一种锥型橡胶弹簧为研究实例， 该产品是轨道车辆转向架的关键部件， 广泛地应 用于高速客车、地铁车辆和城市轻轨车辆转向架上。产品由衬套、橡胶、心轴三部分组成， 其三维模型图如图 1 所示。
图 1 产品三维模型图
2 有限元模型处理与计算
本文的分析计算主要是利用 Abaqus 计算产品在疲劳试验各工况载荷下的应力场分布情 况，再将该应力场分布结果导入到 Fe-safe 中进行疲劳寿命分析计算，最后再将计算完的疲
图 4 有限元离散模型
3 应力场分析结果
根据产品疲劳实验要求，主要分析产品在垂向位移载荷 25mm 作用下橡胶部分和铁件 的应力云图分布。如图 5 所示，橡胶部分最大拉应力为 2.521MPa，发生在橡胶与心轴相接 触的下端部分；橡胶部分最大压应力为 7.98MPa，发生在橡胶与衬套相接触的中下端部分， 其最大拉、压应力值均大于橡胶材料的疲劳极限 0.8MPa，所以该垂向载荷会使橡胶部分产
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刘文武，朱石坚等，确定橡胶材料应变能密度函数的一种新方法研究 [J]，振动与冲击，2007，No.7 石亦平，周玉蓉， 《ABAQUS 有限元分析实例详解》[M ]，北京：机械工业出版社，2006，193-195. Abaqus Analysis User’s Manual，Version 6.7
根据产品疲劳实验要求，主要分析产品在垂向预载荷 15mm，水平位移载荷±5mm 作 用下橡胶部分和铁件的应力云图分布。如图 7 所示，橡胶部分最大拉应力为 1.848MPa，发 生在受挤压侧底部圆弧靠近心轴处，橡胶部分最大压应力为 4.620MPa，发生在受挤压侧橡 胶与心轴相接触的最下端靠近对称面处，其最大拉、压应力值均大于橡胶材料的疲劳极限 0.8MPa，所以产品在该载荷工况下橡胶部分会产生疲劳损伤。根据仿真分析结果，铁件部 分最大拉应力为 26.50MPa，发生在受挤压侧衬套最底部处，最大压应力为 35.29MPa，发生 在受拉伸侧心轴最底端处，其最大拉、压应力值均在小于钢材的疲劳极限 125MPa，所以在 该工况下不会对铁件产生任何疲劳损伤。
生疲劳损伤。根据仿真分析结果，铁件部分最大拉应力值为 15.05MPa，发生在衬套内侧的 最下端；最大压应力值为 8.693MPa，发生在心轴最下端，其最大拉、压应力值均小于钢材 的疲劳极限 125MPa，所以该垂向载荷不会对铁件部分产生任何疲劳损伤。
图 5 橡胶部分的拉应力云图分布
图 6 橡胶部分的压应力云图分布