Abaqus活塞密封圈超弹性仿真：轴对称分析详解

Abaqus活塞密封圈超弹性仿真：轴对称分析详解

在工程仿真领域，对于具有轴对称特性的结构，采用轴对称分析方法可以显著提高计算效率。本文将详细介绍如何使用Abaqus和Hypermesh进行活塞密封圈超弹性仿真的轴对称分析，包括前处理、仿真设置和结果验证等关键步骤。

Hypermesh前处理

1.1 网格划分

简单的轴对称模型可以直接在Abaqus里面处理，而复杂的模型可以选择Hypermesh做前处理。打开hypermesh后，首先在界面选择abaqus-standard2D，然后在XY面建立轴对称模型并划分网格，旋转轴为Y轴，具体见图1：

图1. 网格划分

1.2 网格类型

由于是轴对称仿真分析，所以需要选择轴对称网格类型。在hypermesh画完网格后，需要检查下网格类型(点选2D中的element types，然后点选2D&3D)，确定是否是轴对称单元。活塞及活塞缸网格类型选用CAX4R，密封圈(超弹性)选择CAX4H，具体如下：

图2. 网格类型

1.3 截面属性设置

设置好材料属性后，单元的截面属性一定要设置为SOLIDSECTION，也就是实体单元属性。完成后导出inp格式，其他约束关系、载荷步、接触等在abaqus中设置(也可在hypermesh中设置)。

图3. 截面属性

仿真分析

2.1 约束设置

首先建立两个参考点，然后基于这两个参考点，分别建立关于活塞及活塞缸单元集的刚性体约束，并建立活塞缸参考点的节点集：

图4. 刚性体约束

然后在活塞缸和密封圈间建立接触关系(建立前需首先建立两个面集，也就是密封圈的外圈和活塞缸的内侧)，接触摩擦系数设为0.15。

图5. 接触设置

2.2 载荷步设置

建立静态通用载荷步，开启大变形，初始载荷步设置为0.01，最大为0.05：

图6. 载荷步设置

2.3 边界设置

由于活塞及活塞缸是刚体，约束参考点即可，在RP-1建立固定约束，在RP-2建立位移约束：

图7. 约束边界设置

在图7中，由于是轴对称模型，所以固定约束为：固定XY两向的平动以及Z向的转动；同样的位移约束X平动、Z向转动为0，Y向平动为11mm(位移在施加时，按时间线性增加)。

最后提交仿真作业

计算速度远远超过前面完整模型的仿真计算速度(读者可以对比分析)，结果动图如下：

图8. 结果动图

将前面完整结构的应力结果及约束反力放在一起，具体如下，可以看到不管是应力结果、变形结果以及约束反力结果都是一致的，说明了轴对称分析的有效性。

图9. 两种分析方法结果对比

图8中显示了结构截面的分析结果，也可以通过将单元进行扫掠，显示完整结构，点击View，选择ODB Display Options，然后进行扫掠设置(下图中扫掠180°，并分成180份)：

图10. 轴对称分析3D显示结果

通过以上分析，针对于轴对称结构，可以采用轴对称仿真分析方法，如果结构比较复杂，可首先通过Hypermesh进行前处理，划分高质量网格，然后再基于abaqus进行计算分析。