CN104182585A - 硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，步骤为：对压头、硅胶弹性体和PET膜几何建模并转化成有限元模型，对有限元模型施加约束、载荷和定义接触模式并进行网格划分；设置输出项后求解计算并分别提取荷重-时间曲线和行程-时间曲线来获得手感曲线；重新设置输出项并重新进行求解获得合成弹性体的应力应变数据；提取应力值后在FE-safe软件中设置和输入各参数并定义输出资料；计算求解并将求解的结果导回Abaqus软件获得云图寿命及应力分布区域数据，本发明能准确全面的模拟和分析出硅胶弹性体的手感和寿命，进而实现硅胶弹性体产品结构设计优化，节省了大量的研发和实验时间及经费。

Description

硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法

技术领域

本发明涉及一种有限元模拟分析方法，特别涉及一种应用于按键硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法。

背景技术

硅橡胶弹性元件在汽车，电子产品等领域应用的越来越广，其研发工作也得到了迅猛发展，硅胶弹性元件传统的开发流程为：依次进行产品设计、开模制造样品、对样品进行检测、不断的修改模具，最终调整产品至符合要求，该种开发流程造成硅胶弹性元件开发周期长(特别是寿命测试时间)，研发和实验成本高，其在工作中的风险高，现有数值模拟分析不够准确，且由于硅橡胶的复杂以及诸多可变因素的影响，使得在优化产品结构设计上有很大困难，单纯依靠实验和操作经验采用不断修模的方法耗时间和费资，存在着局限性，难以满足现在对硅胶弹性元件的高品质追求。

发明内容

为了克服上述缺陷，本发明提供了一种硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，该方法能够准确快速的模拟和分析出硅胶弹性体手感曲线和疲劳寿命数据。

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：建模：采用计算机建模软件对压头、硅胶弹性体和PET膜(柔性电路板)进行几何建模；

步骤二：采用有限元分析软件将上述几何模型转化成有限元模型，并对该有限元模型施加约束、载荷和定义接触；

步骤三：对有限元模型进行网格划分；

步骤四：设置输出项：

步骤五：通过有限元分析软件对设置输出项进行求解计算；

步骤六：根据求解结果，分别提取荷重-时间曲线和行程-时间曲线，并最终通过combine函数合并得到荷重-行程曲线，即手感曲线，然后对比要求的手感曲线进行分析；

步骤七：重新设置输出项并重新进行求解计算获得合成弹性体的应力应变数据输出ODB计算结果文件；

步骤八：导入ODB计算结果文件至FE-safe软件，提取应力值；

步骤九：在FE-safe软件中设置材料参数、疲劳算法、极限循环次数、疲劳极限应力和表面粗糙度，并输入通过实验提取的S-N曲线(弹性体疲劳寿命曲线)；

步骤十：设置需加载的载荷谱；

步骤十一：定义输出资料；

步骤十二：通过有限元分析软件的求解器进行计算求解，并将求解的结果导回Abaqus软件获得云图寿命及应力分布区域数据，决定手感的合成硅胶弹性体是高度非线性的超弹性材料，本专利在按键硅胶弹性体生产制造前，对按键硅胶弹性体模型采用被认为在非线性领域最强大的有限元软件Abaqus软件和FE-safe疲劳求解软件结合对按键硅胶弹性体进行手感曲线分析和疲劳寿命预测，该分析和预测结果准确，与实际实验数据一致性高，根据分析和预测结果对按键硅胶弹性体设计方案进行优化处理，使得按键硅胶弹性体能够满足人们对电子及车品按键的手感及质量的超高要求，其避免了产品及生产产品模具的反复修改，和频繁试模，节省了大量和修改试模时间，节省了模具反复修改产生的高额费用，也节省了大量的研发和实验时间以及费用，实现了按键硅胶弹性体的快速、低成本、高质量的设计研发。

作为本发明的进一步改进，步骤一中先对合成硅胶弹性体进行单轴实验，并计算出名义应力应变数据，然后利用Abaqus软件将名义应力应变数据拟合成超弹性Mooney_rivlin本构模型，然后根据Mooney_rivlin本构模型数据赋予所有限元建议的分析模型，其能保证分析模型与实物保持高度一致特性，保证分析的准确性。

作为本发明的进一步改进，硅胶弹性体采用Mooney_Rivlin本构模型，采用函数表达式为：

$W(I_1,I_2)=\underset{i,j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}{(I_1-3)}^i{(I_2-3)}^j---\left(1\right)$

式中：W为应变能密度，C_ij为Rivlin系数，I₁，I₂为第1，第2Green应变不变量

$I_1={\mathrm{\λ}}_1^2+{\mathrm{\λ}}_2^2+{\mathrm{\λ}}_3^2---\left(2\right)$

I₂＝(λ₁λ₂)²+(λ₂λ₃)²+(λ₃λ₁)²  (3)。

作为本发明的进一步改进，步骤二中采用standard求解器对步骤一中的三维实体几何模型进行简化形成二维轴对称模型，并对该二维轴对称模型施加约束、载荷和接触数据。

作为本发明的进一步改进，所述压头材料定义为钢材，其弹性模量：210000mpa，泊松比：0.3；PET膜弹性模量为：2100mpa；泊松比：0.4；接触模式定义为：两处刚柔接触和一处自接触，采用罚函数摩擦法，罚函数通过法向接触刚度强制接触，法向力为：

$f_n=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{n}C& C\≤0\\ 0& C>0\end{array}\right.$

式中K_n为法向接触刚度：C——根据接触节点相对于目标平面的位置确定的间隙值。

作为本发明的进一步改进，步骤七中先对有限元模型进行删除压头和PET膜模型的简化处理，然后重新进行求解计算，得到合成弹性体的应力应变数据，简化模型，单独对弹性体进行按压分析提取单位时间历程内应力应变数据，节省计算时间。

本发明的有益效果是：本发明采用采用有限元软件Abaqus，首先对按键硅胶弹性体进行按压模拟分析，得到荷重-行程曲线，及手感曲线，然后简化分析模型单独对弹性体进行按压分析提取单位时间历程内应力应变数据，分析结果输入FE-safe进行求解得到疲劳寿命数据，其克服了硅胶弹性体的复杂性特点，准确全面的模拟和分析出应用于按键的硅胶弹性体的手感和寿命，进而实现硅胶弹性体产品结构设计优化，满足人们在对硅胶弹性元件的高品质追求，还节省了大量的研发和实验时间及经费。

附图说明

图1为本发明的有限元模型网格划分图；

图2为本发明的Mooney_Rivlin本构拟合曲线图；

图3为本发明的第一接触模式图；

图4为本发明的第二接触模式图；

图5为本发明的第三接触模式图；

图6为本发明定义的约束分布图；

图7为本发明的压头对硅胶弹性体下压0.45mm时的求解图；

图8为本发明的压头对硅胶弹性体下压0.7mm时的求解图；

图9为本发明获得的荷重-时间曲线图；

图10为本发明获得的行程-时间曲线图；

图11为本发明通过有限元分析数据获得的荷重-行程曲线图；

图12为实测数据获得的荷重-行程曲线图；

图13为本发明简化模型仅对单体硅胶弹性体定义约束分布图；

图14为将abaqus软件分析获得的odb文件导入FE-safe软件图；

图15为在FE-safe软件中进行参数设置状态图；

图16为实验提取的S-N曲线图；

图17为在FE-safe软件中设置需加载的载荷的历程系数图；

图18有限元分析软件获得的求解结果图；

图19为将求解结果ODB文件导回abaqus软件获得的云图；

图20为应力数据分布图。

附图标记说明：

压头---1   测试硅胶弹性体----2   PET膜---3

刚体面---4 柔体面---5   自接触柔体面----6

具体实施方式

实施例：一种硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，包括以下步骤：

1.建立几何模型：

因所用弹性体的加载和结构都是轴对称的，所以可以把三维模型简化为二维轴对称模型，单元类型为CAX4H(4节点轴对称杂交单元)，设置网格全局尺寸：0.15mm；局部应力集中的壁部分划分局部单分尺寸：0.08～0.1mm；

2.定义材料：

压头：钢材，弹性模量：210000mpa，泊松比：0.3；

PET膜：因PET对结果影响不大采用接近的参数即可，取弹性模量：2100mpa，泊松比：0.4；

硅胶弹性体：采用Mooney_Rivlin本构模型,采用函数表达示为：

对橡胶类物理非线性材料，常用Mooney-Rivlin模型来描述。

$W(I_1,I_2)=\underset{i,j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}{(I_1-3)}^i{(I_2-3)}^j---\left(1\right)$

式中：W为应变能密度，C_ij为Rivlin系数，I₁，I₂为第1，第2Green应变不变量。

$I_1={\mathrm{\λ}}_1^2+{\mathrm{\λ}}_2^2+{\mathrm{\λ}}_3^2---\left(2\right)$

I₂＝(λ₁λ₂)²+(λ₂λ₃)²+(λ₃λ₁)²   (3)

若仅用1个参数描述Mooney-Rivlin模型，则称为neo-Hookean Mooney-Rivlin模型^[1]，方程(1)变成：

W＝C₁₀(I₁-3)       (4)

在neo-Hookean Mooney-Rivlin模型中，第1个系数等于剪切模量的一半，而第2个系数等于0，这个材料模型中显示出剪切模量是一个常数。在单轴拉伸试验中，当应变不超过40％及在简单剪切试验中应变不超过90％，此模型与试验数据具有很好的一致性。

若采用2参数的Mooney-Rivlin模型，则(1)式变成：

W＝C₁₀(I₁-3)+C₀₁(I₂-3)    (5)

式中，C₁₀和C₀₁为Rivlin系数，均为正定常数。对于大多数橡胶而言，在应变为150％以内时可得到合理的近似。

(以上函数表达式摘自2004年8月出版的《特种橡胶制品》第25卷第4期的由王伟、邓涛和赵树高编写的《橡胶Mooney_Rivlin模型中材料常数的确定》)

3.建立standad(静力通用)分析步并打开几何非线性；

4.定义接触：两处刚柔接触，一处自接触，采用罚函数摩擦法，罚函数通过法向接触刚度强制接触,法向力为：

$f_n=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{n}C& C\≤0\\ 0& C>0\end{array}\right.$

式中K_n为法向接触刚度：C——根据接触节点相对于目标平面的位置确定的间隙值。

由于模拟理想的摩擦行为往往非常困难甚至无法收敛，所以ABAQUS会采取“弹性滑移”的罚摩擦来允许在粘着的接触表面之间发生一个非常小的相对运动，在这个过程中，ABAQUS会自动的选择合适的罚刚度。

5.定义约束和下压位移约束(定义幅值)；

6.新建作业，设置输出项并求解；

7.查看结果；

8.分别提取荷重-时间曲线和行程-时间曲线；

9.通过combine函数合并得到荷重-行程曲线，即为所需要的手感曲线；然后将通过有限元分析数据获得的荷重-行程曲线与实测数据获得的荷重-行程曲线进行对比分析，通过对比可看出误差在5％以内，因为计算误差，以及实际开模的产品会存在一些不确定因素，因此误差5％为可接受方案；

10.简化模型，删除压头和PET膜模型，得到合成弹性体的应力应变数据重新计算单体硅胶弹性体应力数据；

11.采用abaqus软件重新设置输出项并重新进行求解计算获得单体硅胶弹性体的应力应变数据输出ODB文件，并将该ODB文件入FE-safe软件，提取应力值；

12.在FE-safe软件中依次设置材料参数、疲劳算法、极限循环次数1E6、疲劳极限应力0.8mpa、表面粗糙度Ra6.0，并输入实验提取的S-N曲线；

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；

13.设置需加载的载荷的历程系数；(表示一下一上为一个历程或一个循环)

14.定义输出资料；

15.计算求解并查看结果，查看云图寿命及应力分布区域可通过导出求解结果ODB文件导回abaqus查看。

如图18、19所示，第1项为寿命值，第2项为FOS值即疲劳载荷历程系数即疲劳载荷历程系数应该定义为0、0.925时，疲劳寿命达到。

在图19中着色处到596259次时出现损坏，不满10E6设计需求，与实际验证得到了较好的吻合，如图20所示，为应力数据分布图，可见需对薄弱处修改设计加强至满足要求。

Claims (6)

1.一种硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：建模：采用计算机建模软件对压头、硅胶弹性体和PET膜进行几何建模；

步骤二：采用有限元分析软件将上述几何模型转化成有限元模型，并对该有限元模型施加约束、载荷和定义接触模式；

步骤三：对有限元模型进行网格划分；

步骤四：设置输出项：

步骤五：通过有限元分析软件对设置输出项进行求解计算；

步骤六：根据求解结果，分别提取荷重-时间曲线和行程-时间曲线，并最终通过combine函数合并得到荷重-行程曲线，即手感曲线，然后对比要求的手感曲线进行分析；

步骤七：重新设置输出项并重新进行求解计算获得合成弹性体的应力应变数据输出ODB文件；

步骤八：导入ODB文件至FE-safe软件，提取应力值；

步骤九：在FE-safe软件中设置材料参数、疲劳算法、极限循环次数、疲劳极限应力和表面粗糙度，并输入通过实验提取的S-N曲线；

步骤十：设置需加载的载荷谱；

步骤十一：定义输出资料；

步骤十二：通过专业疲劳分析软件FE－SAFE的求解器进行计算求解，并将求解的结果导回Abaqus软件获得寿命数据和应力分布区域云图。

2.根据权利要求1所述的硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，其特征在于：步骤一中先对合成硅胶弹性体进行单轴实验，并计算出名义应力应变数据，然后利用Abaqus软件将名义应力应变数据拟合成超弹性Mooney_rivlin本构模型，然后通过计算机建模软件进行模型分析和几何建模，并将Mooney_rivlin本构模型数据赋予模型。

3.根据权利要求1所述的硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，其特征在于：硅胶弹性体采用Mooney_Rivlin本构模型，采用函数表达式为：

$W(I_1,I_2)=\underset{i,j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{ij}}{(I_1-3)}^i{(I_2-3)}^j---\left(1\right)$

式中：W为应变能密度，C_ij为Rivlin系数，I₁，I₂为第1，第2Green应变不变量

$I_1={\mathrm{\λ}}_1^2+{\mathrm{\λ}}_2^2+{\mathrm{\λ}}_3^2---\left(2\right)$

I₂＝(λ₁λ₂)²+(λ₂λ₃)²+(λ₃λ₁)²       (3)。

4.根据权利要求1所述的硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，其特征在于：步骤二中采用abaqus软件自带的standard求解器进行求解，对步骤一中的三维实体几何模型进行简化形成二维轴对称模型，并对该二维轴对称模型施加约束、载荷和接触数据。

5.根据权利要求1或4所述的硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，其特征在于：所述压头材料定义为钢材，其弹性模量：210000mpa，泊松比：0.3；PET膜弹性模量为：2100mpa；泊松比：0.4；接触模式定义为：两处刚柔接触和一处自接触，采用罚函数摩擦法，罚函数通过法向接触刚度强制接触相，法向力为：

$f_n=\left\{\begin{array}{cc}{K}_{n}C& C\≤0\\ 0& C>0\end{array}\right.$

式中K_n为法向接触刚度：C——根据接触节点相对于目标平面的位置确定的间隙值。

6.根据权利要求1所述的硅胶弹性体手感分析及疲劳寿命预测的有限元模拟方法，其特征在于：步骤七中先在有限元软件abaqus中对有限元模型进行删除压头和PET膜模型的简化处理，然后重新进行求解计算，得到合成弹性体的应力应变数据输入专业疲劳分析软件FE－safe中进行疲劳分析求解。