[发明专利]一种基于流体有限元的大变形弹性体产品静刚度计算方法

说明书

本发明公开了一种基于流体有限元的大变形弹性体产品静刚度计算方法，步骤包括：依据目标产品弹性体材料变形前后总体区域建立流体模型，对流体模型进行流体网格划分和赋予流体单元弹性体材料本构模型参数，然后在此基础上划分弹性体材料未变形时的初始分布区域，初始区域设定为有弹性体材料分布，而其余剩余区域则设定为没有材料分布，利用流体有限元建立产品弹性体部分的模型后，产品其它部分按经典连续固体力学有限元技术建模即可，这包括接触设置、边界条件设置、载荷设置即完成整体产品的模型建立。计算求得产品的位移量和相关约束反力，联合求解就能得到目标产品的静刚度。本发明能够实现在任意弹性体大变形工况下求解弹性体产品静刚度。

技术领域

本发明涉及弹性体产品，在其结构、形状承受弹性体部分大变形工况下的静刚度计算技术，具体涉及一种基于流体有限元的大变形弹性体产品静刚度计算方法。

背景技术

某些用途的弹性体产品在承载过程中，往往会表现为特大变形的承载效果。在对此类产品进行静刚度分析过程中，因变形过大，弹性体部分网格单元会发生严重扭曲变形，从而导致有限元计算的求解无法进行下去。

目前，解决弹性体产品大变形静刚度计算的技术方法主要有三种：

第一种：合理进行网格布局技术。针对产品结构特点，采用合理的网格布局，尽量保证产品弹性体部分发生大变形后网格仍具有良好的单元几何形态；

第二种：网格重划分MapSolution技术。这是一种将变形后网格模型提取出来（部分加载），进行重新划分质量良好的网格，将前次计算得到的应变和支反力利用插值映射到新的节点上去，然后再继续加载计算的技术。

第三种：自适应网格重划分技术。特指通用有限元计算程序中的自动调整网格技术。相比较第二种MapSolution技术而言，MapSolution技术每一次重划分网格都是人为手动调整，自由度很高，但对工程师的经验要求也很高；而自适应网格重划分由有限元计算程序按一定的算法自动完成。目前市面上常见的通用有限元计算程序对于自适应网格划分的算法思路基本一致，不同之处在于优化目标和优化参数的不同。这里不再赘述。

以上三种就是目前弹性体产品（如橡胶等）大变形静刚度计算采用的策略和方法。对一个经验丰富的有限元计算工程师而言，弹性体部分变形量不是特别大的情况下，用上面三种方法计算静刚度都有效；如果变形量特别巨大，比如变形达到80%以上，用以上三种方法，基本不可能完成弹性体产品静刚度计算，其原因是：常规的有限元计算采用的是固体单元，又称拉格朗日（Lagrangian）单元。采用拉格朗日单元的有限元分析方法是经典固体连续力学的做法，它采用拉格朗日坐标来描述，反映了物体质点与它每瞬间所处的位置关系，不同的坐标代表不同的质点，也称为物质坐标。用描述单元网格的术语讲，也就是材料与网格绑定在一起，网格代表坐标，材料也就是无数个质点，二者在整个分析过程中是联系在一起的，即单元随着材料变形而变形。因此，常规的用拉格朗日单元网格建模的弹性体材料在承载过程中，结构形状会不断改变，在模拟其大变形的过程中，单元会经历这样的一个变化过程，见图1所示：首先是小变形，接着是大变形，然后进入到一定量的扭曲、严重畸变甚至发展到体积为负的这样一个网格质量不断恶化的过程。通常情况下，网格发生严重畸变，有限元计算就会被中止。产品的静刚度计算将提前结束，不能完成。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于流体有限元的大变形弹性体产品静刚度计算方法，本发明在有限元分析时将弹性体这个固体材料视为“流体”材料，利用流体单元及相应的流体分析方法去求解弹性体产品静态刚度，能够从根本上克服固体单元和固体连续体分析方法的不足、从本质上解决固体网格大变形有限元计算不收敛的问题，实现弹性体在任意大变形量的工况下求解弹性体产品静刚度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于流体有限元的大变形弹性体产品静刚度计算方法，实施步骤包括：