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橡胶材料体积比参数对橡胶元件刚度计算结果的影响探讨

李晓陈彦北、黄友剑

中国南车株洲时代新材料科技股份有限公司,湖南株洲412007

摘要：本文以房屋减隔震支座为计算模型，研究了ABAQUS软件不同超弹材料本构模型下，橡胶材料的体积

比值对支座产品的刚度的影响。

关键词：体积比参数；支座，ABAQUS

随着有限元理论的发展和计算机的普及应用，基于有限元理论的仿真分析方法得到了广

泛的应用。大多用于仿真分析的软件都需要在计算求解前定义模型中各部分结构的材料力学

参数，只有准确的材料属性参数才能得到正确可靠的分析结果。对于大多金属材料，已经具

有准确、可靠的用于仿真计算用的参数。但是，橡胶材料是由链状高分子聚合体组成的，呈

复杂性网状结构，用于仿真计算用的本构模型也就很多。本文主要讨论Abaqus中不同本构

模型下橡胶材料的体积比参数对计算结果的影响。

1Abaqus中橡胶材料的本构模型简单介绍

橡胶材料力学性能的描述方法主要分为两类：一类是认为橡胶为连续介质的现象学描

述；另一类是基于热力学统计的方法。基于连续介质力学的本构模型主要有Polynomial、

ReducePolynomial、Ogden模型等，其中Mooney-Rivlin模型是Polynomial的特殊形式，

Neo-Hookean模型是ReducePolynomial的特殊形式。基于热力学统计主要有Arruda-Boyce

和VanderWaals等本构模型。各本构的具体应变能函数关系见下面：

??

1

Mooney-Rivlin模型：U?2（2-1）

CI3)CI3)

10(??(??(J?1)

1012el

D

1

N1

N

???

Polynom模型：i

C(I?3)??(?1)

Uiji(J2

I3)j

12el

D

i?j?1ii

?1

（2-2）

Ogden模型：2?????i

??n?

n

1

U2((1)

ii3)J2

ii

123el

D

i?1i

i?1i

（2-3）

U??C??1??

5iJJ

2

1

Arruda-Boyce模型：ln())

(I3i)

i(el

2?el

i1D2

1

i?1

m1

VanderWaals模型：

（2-4）

U

??????????

??

mJJ

2I331

21

?(23?ln()

)??)2??

ln(1)(el

??

?

????

32D2

el

（2-5）

上面各本构模型的应变能函数表达式中，前一项由实际结构的应变偏分变量组成，后一

项是结构的体积应变关系式（

J指材料的体积比率，代表模型的体积应变）。Abaqus软件

el

在进行计算时，需要用户给定橡胶材料的体积比参数系数，如果用户没有给出，则用默认的

体积比参数，取泊松比系数为0.475。

2本文所用计算模型结构简单介绍

在目前的一些工业产品中，都采用金属与橡胶通过硫化方式结合在一起的结构。利用橡

胶材料的超弹性能，使产品具有减振和隔震的功能。对这些金属与橡胶硫化结合的产品，在

产品设计开始的阶段，需要经过仿真计算来得到它们的刚度性能参数。本文以具有轴对称结

构特点的房屋减隔震支座为计算模型，来说明仿真计算时，所用的橡胶材料体积比参数对支

座轴向计算刚度结果的影响。支座的模型图见下图3-1与3-2。

图3-1支座三维模型图（一半结构）图3-2支座轴对称模型图

3计算结果对比

橡胶材料被认为是不可压缩材料，其泊松比值位于0.45～0.5之间，在Abaqus中，泊松

比与体积模量

k和剪切模量

0

u的关系为

0

3k/u?2

v，计算时，可以直接输入泊松比值参

?00

6k/u?2

00

数进行计算。见图4-1。

图4-1橡胶材料参数输入窗口示意图

本文章分别以Mooney-Rivlin本构模型、Ogden3阶本构模型、VanderWaals本构模

型为材料本构模型，在支座有限元模型的载荷条件、网格划分、其它材料参数都相同的情况

下，分别计算不同体积压缩比参数值（泊松比值）对支座轴向刚度的影响情况。见下图4-2

至图4-4。

4.0

4.0

3.5

3.5

3.0

3.0

2.5

2.5

2.0

2.0

1.5

1.5

1.0

0.450.460.470.480.490.5

1.0

0.450.46