【官方实操案例】ANSYS workbench橡胶防尘套非线性仿真分析详解！

橡胶防尘套在许多工业应用中用于保护两个主体之间的柔性接头。在汽车工业中，橡胶防尘套密封件覆盖在传动轴上的等速万向节上，以保护它们免受外界因素（灰尘、湿度、泥土等）的影响。这些橡胶套的设计可以适应接头的最大可能摆动角度，并补偿轴长度的变化，如下图。

本文橡胶防尘套仿真案例为ANSYS 官方案例中的一个典型案例。

案例展示了几何非线性（大应变和大变形）、非线性材料行为（橡胶）、状态变化非线性（接触）的仿真，并展示了基于表面投影接触探测方法的优点，案例确定了轴运动过程中橡胶防尘套密封件的位移行为、应力结果以及防尘套外表面和内表面接触点的位置。

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模型及材料概况

本分析案例通过静力学分析模块求解。导入的模型如下图1所示，圆柱形轴的半径为14mm，刚性圆柱体与橡胶套的内表面初始干涉，干涉尺寸为：14mm-12mm=2mm。

以上模型，为了提升橡胶套的网格划分质量，将橡胶套进行了切分，并在spaceclaim中进行了share操作，即共结点，如下图。

由于结构的对称性，仅对橡胶套的一半进行了建模。对于橡胶套，使用超弹性材料模型。轴被视为刚体。SOLID185单元用于模拟橡胶套3D结构。

为模型后续操作方便，在spaceclaim中可进行了命名选择设置，如下图：

材料方面，橡胶套由在大应变下表现出弹性响应的橡胶材料制成。本例橡胶材料采用了Neo-Hookean模型，这是一种不可压缩的超弹性材料模型，仅适用于小应变（通常<30~40%）的粗略估算。

模型仅包含两个材料参数（μ和d），如下图，数学表达式相对简单，在有限元分析等数值模拟中计算成本较低，适合快速初步分析和工程应用。

 

 

在ANSYS workbench材料输入界面，输入材料及参数，过程如下：

材料和模型处理完成后，双击model进入分析界面。首先，将各部分赋予材料属性。如下图，橡胶套赋予rubber。轴赋予默认的structural steel，且刚度行为设置为rigid，即作为刚体。

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接触与网格划分

本例橡胶防尘套密封需要考虑定义三个接触对。一个是橡胶防尘套与圆柱轴之间的刚柔接触，其余两种是防尘套内外表面的自接触。即：

① 刚性轴和橡胶套内表面之间的刚柔接触；

② 使用基于表面投影的接触方法在橡胶套内表面进行自接触；

③ 使用基于表面投影的接触方法在橡胶套外表面进行自接触。

刚性圆柱轴被设置为了刚体，因此接触设置时作为目标面，采用TARGE170单元（目标单元）。橡胶材料作为接触面时，接触设置用接触单元CONTA174。接触摩擦系数均设置为0.2，轴与橡胶套的接触设置如下：

建模时，由于轴与橡胶套存在过盈。interface treatment项采用addoffset,ramped effect。在经典中，即KEYOPT（9）=2，用于干涉时斜坡加载，如下图：

 

在接触探测方面，轴与橡胶套之间采用高斯积分点接触探测，即KEYOPT（4）=0，如下图：

轴与橡胶套默认接触算法为罚函数，纯罚函数和增广拉格朗日法默认基于高斯积分点的探测（On Gauss Points），一般较节点的探测更准确，基于高斯积分点的探测默认指向接触面的法向，适合于实际模型紧密接触的情况。

橡胶套与轴有明显的刚柔区分，因此使用非对称设置。

在轴移动过程中，橡胶套可能产生自接触。为了模拟自接触对，目标表面和接触表面都是相同的。橡胶套外表面和内表面的自接触设置如下：

自接触设置时，接触探测选项采用基于表面投影的接触（Nodal-projected Normal from Contact），即经典中设置KEYOPT（4）=3。此选项在接触面和目标面的重叠区域上强制执行接触约束，而不是在单个接触节点或高斯点上。在平均意义上计算重叠区域上的接触穿透/间隙。

接触设置后，进行网格划分。本例采用线性单元，即solid185，8节点六面体单元，支持超弹性材料模型，适用于一般三维超弹性分析，在模拟超弹性材料时，可兼顾了精度、收敛性和计算效率。

网格划分如下：

本例中，自接触的算法为软件默认，同时网格划分也较为粗糙，如果想精度更高一点，可设置接触算法为法向拉格朗日算法，同时进一步细化网格尺寸。

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分析设置和边界条件

本例中，需通过三个载荷步骤完成以下问题：

1、轴和防尘套之间的初始干涉

2、轴的垂直位移（橡胶套中的轴向压缩）

3、轴旋转（橡胶套弯曲）

为此可设置三个载荷步，如下各图所示设置，开启大变形。第一个载荷步，完成防尘套与轴之间的初始过盈干涉计算：

载荷步设置好后，设置边界条件。

橡胶套对称约束：由于模型中橡胶套为一半模型，需要设置对称约束，可先建立一个局部坐标系，方便后续对称约束的设置。局部坐标系设置为柱坐标系，如下：

通过限制平面外平移，将模型约束在对称平面上，如下图。对称平面选择橡胶套的截面，坐标系选择新建的坐标系，然后对称约束设置Y轴（周向）位移为零。

橡胶套底部位移约束：本例橡胶套底部约束竖向位移，同时约束底部侧边环面的径向位移。如下图所示：

轴运动约束：轴运动时，先向下运动，再转动，我们通过远程点进行控制。因此先设置一个远程点，如下图：

远程点设置时，将远程点设置为整体坐标系原点处，方便后续转动位移的设置。如下图。

以上设置完成后，就可以进行计算了。

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结果与讨论

橡胶套最大轴角处的位移矢量和图

下图为最后的等效弹性应变和等效应力图，可以看到最大弹性应变为0.26849。最大等效应力为1.1867MPa。等效弹性应力和应变云图分布形态一致。

橡胶等效弹性应变图

橡胶在最大轴角处的Von Mises应力图

上图中在最大轴角下，防尘套中出现最大应力的关键区域的位置，最大应力很低，但考虑到材料在给定循环次数后的疲劳效应，这些区域在疲劳载荷下最有可能失效。

如下各图显示了橡胶套在不同轴角度下不同接触点的总应变。第一次接触发生在橡胶套的外表面之间。之后，在第一接触区域注意到拉伸，第二次接触发生在橡胶套的内表面之间。最后，第三次接触发生在橡胶套的内表面和轴之间。

橡胶套外表面首次自接触

橡胶套内表面首次自接触

橡胶套内表面与轴接触

本例中，自接触时接触检测方法采用基于表面投影的接触（Nodal-projected Normal from Contact）。当然也可以采用其他接触检测方法。不同方法在接触迭代次数和时间上有明显区别。

以下为ANSYS workbench帮助文档给出的统计。

不同接触检测方法的累积迭代比较

不同接触探测方法的仿真统计

通过与其他可用的接触探测算法进行比较，说明了基于表面投影的接触方法的以下优点：

①  基于表面投影的接触法（KEYOPT（4）=3）需要最少的累积迭代次数。

② 使用基于表面投影的接触法时，问题的收敛对法向接触刚度系数（FKN）不太敏感。

基于表面投影的接触方法（KEYOPT（4）=3）比其他接触检测算法可产生更平滑的接触力。它对接触刚度的大小不太敏感。

对于较小的FKN值（0.1至1.0），所有接触检测方法的累积迭代变化较小。但是对于较高的FKN值（1到10），与其他接触检测方法相比，基于表面投影的方法的累积迭代变化要小得多。

FKN=1是非线性分析的最佳值。一般来说，基于表面投影的接触法在计算时间上要昂贵得多。在这个特定的模型中，使用这种方法的迭代和子步骤的总数较少与其他接触检测算法相比。使用表面投影方法的整体性能更好。

以下动画显示了所有加载步骤中von Mises应力、弹性应变变化情况。很明显可以看到载荷步1时，轴与橡胶套口处由于过盈干涉，产生了预应力和应变。载荷步2时，轴向下运动，对橡胶套进行挤压。载荷步3时，轴旋转，橡胶套产生自接触。

在官方文档中，文档中建议在进行此类分析时基于表面投影的方法（KEYOPT（4）=3）不要用于定义刚性轴和橡胶套之间的接触，因为这种方法不支持由基本目标段定义的刚性表面。