创建适于计算机辅助工程分析的橡胶类材料的数值模型的方法和系统技术方案

本申请公开了基于在感兴趣的橡胶类材料样品的双向拉伸试验中获得的试验数据创建包括Mullins效应的橡胶类材料的数值模型的系统和方法。在负载阶段，基于加压压力对比极点位移数据确定用作应变-能量密度函数的Mooney-Rivlin本构方程的第一组数值常量。然后确定卸载阶段损害函数的第二组数值常量。卸载阶段损害函数被用于修改卸载阶段的应变-能量密度函数，并包含具有无量纲算子的双曲正切函数，该无量纲算子包括在卸载阶段之前立即发生的峰值应变能量值。然后确定随后的重新负载阶段损害函数中的第三组数值常量。所述随后的重新负载阶段损害函数被用于修改重新负载阶段中的应变-能量密度函数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术总地设及计算机辅助工程（CA巧分析（例如，有限元分析），更具体地，设及 用于基于双向拉伸试验中获得的结果创建适于计算机辅助工程分析的橡胶类材料的数值 模型的方法和系统。
技术介绍
橡胶类材料（例如，人造橡胶）已经多年被用于各种产业（例如，汽车、航空器等） 的许多零件和结构中。但是除了弹性性能外，人造橡胶的机械性能（例如，应力-应变或者 应力-拉伸比关系）仍然没有被清楚地定义；因此，该些结构的设计和分析（尤其是用于计 算机辅助工程中）通常仅基于人造橡胶的弹性性能进行。事实上，人造橡胶具有非弹性效 应，例如马林斯（Mullins)效应、黏弹性、W及长期流变学行为，且非弹性特性的幅度经常 足够大W至于它们不应该被忽略。 人造橡胶在其原始状态对于初始负荷呈现相对较硬的响应。当人造橡胶被负载、 接下来卸载、然后重新负载，应力应变关系遵循显著更软的路径。在几个卸载-重新负载周 期后，应力-应变关系稳定下来，随后的卸载-重新负载周期折回应力应变曲线中的稳定路 径。在此描述的人造橡胶的非弹性材料行为被称为Mullins效应，其中应力-应变关系取 决于之前遇到的最大负荷。 到目前为止，用于确定人造橡胶的非弹性性能的分析和实验研究很少有尝试。该 是由于对人造橡胶的机械学的研究必须考虑几何和材料非线性特性。附加效应、W及缺少 描述该些现象的适当本构方程式使得分析和实验研究非常困难。 现有技术中的数学方程式（也就是，本构方程式）不足W表示人造橡胶的真实行 为。一种现有技术中的本构方程假定负载和随后的重新负载路径是相同的，该不能表示人 造橡胶的真实行为，因为人造橡胶在随后的重新负载路径中应该比在初始的负载路径中变 得更软。 此外，虽然一些现有技术的方法采用损害函数来表示卸载和重新负载阶段中的 Mullins效应，但是损害函数是依赖于尺寸的，且与橡胶类材料的应力有关。因此，很难在真 实世界的应用中关联和应用该样的损害函数。因此，期望有改进的方法和系统，来创建适于计算机辅助工程分析的具有Mullins 效应的橡胶类材料的数值模型。
技术实现思路
[000引本申请公开了用于基于双向拉伸试验中获得的结果创建具有Mullins效应的橡 胶类材料的数值模型的系统和方法。根据本专利技术的一方面，获得感兴趣的橡胶类材料的 样本的双向拉伸试验的试验结果（也就是，压力对比极点位移数据）。所述双向拉伸试 验包括至少负载、卸载和重新负载阶段。基于压力对比极点位移数据，确定口巧-里夫林 (Mooney-Rivlin)本构方程的第一组数值常量。Mooney-Rivlin本构方程被用作负载阶段 的橡胶类材料的应变-能量密度函数。然后，确定卸载阶段损害函数的第二组数值常量。 卸载阶段损害函数被用于修改卸载阶段的应变-能量密度函数，且包含具有无量纲算子的 双曲正切函数，该无量纲算子包括在卸载阶段之前立即发生的峰值应变能量值。接下来，确 定随后的重新负载阶段损害函数中的第=组数值常量。所述随后的重新负载阶段损害函数 被用于修改重新负载阶段中的应变-能量密度函数。最后，通过将Mooney-Rivlin方程、 卸载阶段损害函数和随后的重新负载阶段损害函数W及第一、第二和第=组数值常量相结 合，创建适于至少部分由橡胶类材料制成的产品的计算机辅助工程分析的橡胶类材料的数 值模型。 通过W下结合附图对【具体实施方式】的详细描述，本专利技术的其他目的、特征和优点 将会变得显而易见。【附图说明】 参照W下的描述、后附的权利要求和附图，将会更好地理解本专利技术的该些和其它 特征、方面和优点，其中： 图1是根据本专利技术一个实施例的创建感兴趣的橡胶类材料的数值模型的示范性 过程的流程图，该数值模型适于至少部分由该橡胶类材料制成的产品的有限元分析； 图2是根据本专利技术一个实施例的在负载-卸载-重新负载阶段下呈现Mullins效 应的橡胶类材料的示范性应力对比拉伸率关系（曲线）的示意图；图3A是示范性的橡胶类材料性能确定系统（也就是，双向拉伸试验设备）的示意 图； 图3B是图3A中的双向拉伸试验设备的侧面正投影视图； 图3C是图3A中的示范性双向拉伸试验设备的组件的示意图；图4是由图3A的橡胶类材料性能确定系统生成的示范性压力对比极点位移曲线 的不意图； 图5A列出了 Moon巧-Rivlin本构方程；[001引图5B列出了根据本专利技术的实施例使用的损害函数； 图6是根据本专利技术一个实施例的试验结果和计算的数据之间的相互关系的示意 图；化及图7是示范性计算机的主要组件的功能框图，本专利技术的实施例可在该计算机中实 施。【具体实施方式】 首先参照图1，示出了根据本专利技术一个实施例的创建感兴趣的橡胶类材料的数值 模型的示范性过程10的流程图，该数值模型适于计算机辅助工程分析。过程10优选地与 其他附图一起理解。 在步骤102中，通过执行感兴趣的橡胶类材料（例如，人造橡胶）的样本的双向拉 伸试验，开始过程10。该双向拉伸试验包括至少负载、卸载和重新负载阶段，使得橡胶类材 料的Mullins效应被捕捉到。图3A-3C描述了示范性的双向拉伸试验系统。试验结果是样 本的压力对比极点位移数据。典型的样本具有圆形形状，有均匀的厚度。 图2示出了在一系列负载-卸载-重新负载阶段下的橡胶类材料的应力对比拉伸 率关系曲线。橡胶类材料首先沿着路径242被负载、沿着路径244被卸载、W及沿着路径 252a-b被重新负载。然后橡胶类材料沿着路径254被再次卸载，并沿着路径262被重新负 载。明显地，卸载路径和重新负载路径与负载路径是不同的。该种物理现象被称为Mullins 效应。拉伸率A被定义为橡胶类材料的最终长度与初始长度之间的比率。 现在参照图3A-3C，示出了示范性的橡胶类材料性能确定系统30。该系统30包括 加压流体子系统和数据测量子系统，它们均连接到双向拉伸试验设备310。双向拉伸试验设 备310包括顶板314和底板316。顶板314具有圆孔。底板316是与加压流体入口 312和 加压流体出口 318相连的实屯、板（solid plate)。在双向拉伸试验过程中，橡胶类材料膜样 品315被放置在顶板314和底板316之间。加压流体子系统包括流体储存器304和累302。 累302被用于将加压流体（例如，空气或者水）从流体储存器304抽到双向拉伸试验设备 310, W对橡胶类材料膜样品315加压、减压和重新加压。数据测量子系统包括计算机326、 线性可变差动变换器（LVDT) 324和压力传感器322。压力传感器322经加压流体出口 318 连接到双向拉伸试验设备310,被配置用于在整个双向拉伸试验过程中测量加压流体的压 力。LVDT 324被配置用于在双向拉伸试验过程中测量橡胶类材料膜样品315的中屯、处的 极点位移。压力传感器322和LVDT 324两者都连接到计算机326 (例如，个人计算机、服务 器、膝上电脑、桌上型电脑），计算机326收集和绘制所测量的数据（也就是，压力和位移）。 累302可选地被配置为受计算机326控制。 图3B示出了根据本专利技术实施例的图3A中的双向拉伸试验设备310的侧面正投 影视图31和橡胶类材料膜样品315的俯视图33。橡胶类材料样品315具有均匀的厚度H 332。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种创建适于计算机辅助工程分析的橡胶类材料的数值模型的方法，其特征在于，包括：在其上安装有应用模块的计算机系统中接收在感兴趣的橡胶类材料样品的双向拉伸试验中获得的压力对比极点位移数据，所述双向拉伸试验包括负载、卸载和重新负载阶段；基于所述压力对比极点位移数据，由所述应用模块确定Mooney‑Rivlin本构方程中的第一组数值常量C1和C2,所述Mooney‑Rivlin本构方程用作负载阶段过程中橡胶类材料的应变‑能量密度函数W，其中所述Mooney‑Rivlin本构方程如下：W=C1(λ12+λ22+λ32-3)+C2(λ12λ22+λ22λ32+λ32λ12-3),]]>其中λ1,λ2和λ3是橡胶类材料在三个空间维度中的拉伸率；由所述应用模块确定卸载阶段损害函数中的第二组数值常量r1和m1，所述卸载阶段损害函数用于修改所述应变‑能量密度函数，以表示所述橡胶类材料在卸载阶段的材料行为，所述卸载阶段损害函数包含具有无量纲算子的双曲正切函数，所述无量纲算子包括卸载阶段之前立即发生的峰值应变‑能量值Wm，其中所述卸载阶段损害函数如下：W∂η∂W+η=1-1r1tanh[1m1(1-WWm)];]]>由所述应用模块确定随后的重新负载阶段损害函数中的第三组数值常量r2和m2，所述随后的重新负载阶段损害函数用于修改所述应变‑能量密度函数，以表示所述橡胶类材料在重新负载阶段的材料行为，其中所述随后的重新负载阶段损害函数如下：W∂η∂W+η=1-1r2tanh[1m2(1-WWm)];]]>以及将所述Mooney‑Rivlin方程、所述卸载阶段损害函数、所述随后的重新负载阶段损害函数、以及所述第一、第二和第三组数值常量相结合，以形成所述橡胶类材料的数值模型，用于至少部分由所述橡胶类材料制成的产品的计算机辅助工程分析中。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：威廉·W·冯，约翰·奥·哈尔奎斯特，
申请(专利权)人：利弗莫尔软件技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US