基于ABAQUS重启动的柔性接头仿真分析

为解决有限元计算中柔性接头橡胶弹性件的收敛性问题，本文利用 ABAQUS软件的重启动功能，对橡胶弹性件在受压受剪的工况下采用不同材料参数进行计算。结果表明，采用单一的剪切数据模拟时容压在 2MPa 附近计算就不再收敛，且计算结果不准确；而采用重启动功能切换材料参数可模拟到容压 6MPa 以上，在误差范围内，重启动方法所计算的弹性力矩与试验值符合较好。

 

1 引言

柔性喷管技术是固体火箭发动机推力矢量控制的一种重要方式，它能作全轴摆动，满足大的侧向力需求，摆动时对喷管内流场干扰小，推力损失小，并且摆动重复性好，在各类固体火箭发动机内广泛应用。其中柔性接头是柔性喷管执行推力矢量控制的关键部件，其由金属前法兰、后法兰、金属或非金属增强件与弹性件交替粘接而成的，是一种承压、密封、可变形的连接件。

 

其中，弹性件是具有高弹性的橡胶材料，体积几乎不可压缩，并且体积压缩模量是剪切模量的 15000 倍左右，因此橡胶弹性件可以承受喷管相。当大的纵向压力而不产生过大的纵向变形，但在较小的剪切力作用下就可以产生较大的剪切变形，有利于喷管作全轴摆动。目前，对柔性接头的仿真主要是模拟其弹性力矩在不同容压下的变化趋势，以实现发动机推力矢量的精确控制，提高导弹的工作性能。

 

本文针对柔性接头模拟过程中的计算发散问题，利用 ABAQUS 内的重启动功能，对柔性接头在受压受剪载荷下采用不同的材料参数进行仿真，成功解决了计算不收敛问题。

 

2 柔性接头及试验系统

2.1 柔性接头

本文以文献中的柔性接头为模拟对象，其结构如图 1 所示，主要参数及具体的结构参数见表 1，其中弹性件为硅橡胶。

 

 

图 1 柔性接头结构图

 

表 1 柔性接头结构参数

 

 

2.2 试验系统

柔性接头冷试试验系统如图 2 所示[5]，通过填充高压氮气的压力容器来模拟燃烧室容压，采用电动伺服机构产生不同振幅、不同频率的正弦激励信号的摆动力矩。两个水平安装的位移传感器用于测试柔性接头摆角，并结合垂直安装的位移传感器测试柔性接头的摆心，拉力传感器用于测试伺服机构的作动力，最后按文献中的方法算出摆动力矩。

 

 

图 2 柔性接头冷试试验系统

 

3 柔性接头有限元模型

3.1 网格划分

本文采用专业有限元分析软件ABAQUS 模拟该柔性接头在不同容压下的摆动过程。由于柔性接头为轴对称体，而加载过程中变形及载荷非对称，根据表 1 给出的结构参数，建立的三维模型如图 3 所示。其中，弹性件共6 层，每层沿周向划分 80 等份，宽度方向划分 20 等份，厚度方向划分 2 份；增强件共 5 层，每层沿周向划分 40 等份，宽度方向划分 10 等份，厚度方向划分 1 份。弹性件单元类型采用杂交单元 C3D8H，增强件单元类型采用减缩积分单元 C3D8R，前后法兰及摆杆采用刚体单元 R3D4 模拟。

 

 

图 3 柔性接头有限元模型

 

3.2 边界条件

对称面施加对称边界条件ZSYMM，施加位移约束条件 Z 向位移U3=0；后法兰固定。柔性接头在实际摆动过程中受到容压与作动筒驱动的双重载荷，摆动过程中容压值不变，而作动筒的驱动载荷的大小与方向随柔性接头的摆动而改变。有限元分析中为简化该过程，对前法兰、堵盖及弹性件与增强件外表面施加压强来模拟容压；对摆心施加转角位移来模拟驱动载荷，具体过程为：在摆心处建立一个参考点，并将该参考点与摆杆耦合在一起，并对该参考点施加位移约束U1=U2=U3=UR1=UR2=0，UR3 按需要的摆角设置。

 

3.3 材料参数

柔性接头增强件、前后法兰及摆杆为钢材料，弹性件为硅橡胶材料，其力学性能由常温下的 Yeoh 模型表征，材料参数见表 2。

 

表 2 材料参数

 

 

4 基于 ABAQUS 的重启动仿真

4.1 重启动计算的必要性

一般测试橡胶材料力学性能参数的试验有单轴拉伸试验、剪切试验、压缩试验等，通常柔性接头中橡胶弹性件模拟时采用的是剪切试验数据获得的参数，而这种参数在模拟柔性接头受压时变形较大，与实际情况不符，如图 4 所示，为不同容压下柔性接头轴向位移的变化关系图，由图可见，当橡胶弹性件采用剪切试验数据时，其轴向位移的模拟值远大于试验值，且容压在 2MPa 附近计算就难以收敛，这是由于橡胶参数选取不合理而导致其变形较大，形成较为严重的网格畸变，从而导致计算不收敛；而橡胶弹性件采用压缩试验数据时，轴向位移的模拟值与试验值相差较小，并且可以计算到 6MPa 以上。可见，柔性接头弹性件在受容压载荷下应选取压缩试验数据来模拟，而在摆动过程中，弹性件主要受到剪切载荷，此时才应选取剪切试验数据来模拟。

 

 

图 4 不同容压下柔性接头轴向位移

 

针对上述情况，本文利用ABAQUS 重启动功能，结合柔性接头的实际工作情况，在柔性接头受压时橡胶弹性件采用压缩试验获得的参数，在柔性接头摆动时橡胶弹性件采用剪切 试 验 获 得 的 参 数 ， 中 间 通 过ABAQUS 重启动功能在各个工况之间切换材料参数，以得到更为真实的结果。

 

4.2 重启动的实现过程

在提交分析任务之前，进入 Step模块， 依 次 点 击 Output → RestartRequests，进入重启动编辑框，如图 5，在需要重启动的命令步的 Frequency内输入增量步数，表示每隔多少增量步数系统记录一次数据，点击 OK，并提交分析任务。

 

 

图 5 重启动编辑框

 

任务计算完成后，需要采用重启动进行 Step-2 的计算时，先在视图左端的模型树内右击之前分析的模型，在弹出的对话框中选择 Copy Model，即会生成分析模型的一个 Copy 模型；右击 Copy 模型，在弹出的对话框中选择 Edit Attributes，进入如图 6 所示的模型属性编辑框，在 Restart 栏勾选Read data from job，在后面的空白框内填入之前分析好的任务 Job-1，在下面的 Step name 里输入之前的分析步Step-1，并选择 Restart from the end of the step，即之后的分析是在 Step-1 的基础上完成的，点击 OK。

 

 

图 6 模型属性编辑框

 

在环境栏的Model中选择Copy后的模型，进入 Property 模块修改材料参数，并在 Step 模块里新建分析步，完成新的边界条件设置后进入 Job 模块创建新的任务，在任务编辑框内的Submission 中 Job Type 选择 Restart，如图 7 所示，点击 OK，提交分析任务。

 

 

图 7 任务编辑框

 

以上即是ABAQUS内实现重启动及过程中切换材料参数的设置过程。4.3 重启动计算结果分析图 8 为不同容压不同摆角下柔性接头的弹性的应力分别云图，可见，不同容压下弹性件上的应力分别变化不大，且容压增加最大应力稍有增加；而相同容压下随着摆角的增加弹性件应力分布变化较大，最大应力值也随着摆角的增加急剧增大。由于摆角的增加意味着弹性件受剪切程度的增大，这充分印证了柔性接头的破坏类型主要是弹性件的剪切破坏。

 

 

（a）1MPa 容压 1°摆角

 

 

（b）1MPa 容压 5°摆角

 

 

（c）6MPa 容压 1°摆角

 

 

（d）6MPa 容压 5°摆角

图 8 不同容压不同摆角下弹性件应力分布云图

 

将不同容压 5°摆角下有限元计算得到的弹性力矩与试验值[8]对比，如图 9 所示。可见，硅橡胶的柔性接头弹性力矩随容压增大而增大，这与其它橡胶的柔性接头有所差别，采用重启动并切换材料参数所得到的计算结果较未采用重启动计算得到的结果更为准确，且采用重启动方法能计算到更高的容压，更加有利于柔性接头的有限元分析。

 

 

图 9 不同容压摆角 5°下的弹性力矩

 

图10为容压5MPa下不同摆角柔性接头的弹性力矩曲线，由图可知，弹性力矩随摆角的增大而增大，近似呈现线性关系，采用重启动计算得到的结果较试验值稍有偏大，考虑到数据处理过程中各类误差的影响，认为该计算方法可反映柔性接头的真实受载情况。

 

 

图 10 容压 5MPa 不同摆角下的弹性力矩

 

5 结论

（1）对橡胶材料而言，采用单一的材料参数去模拟复杂工况时得到的结果不准确，需要针对各个工况采用不同的材料参数；

（2）利用重启动功能可实现不同工况下材料参数的切换，并以柔性接头为例验证了该方法的正确性。

 

资料来源：达索官方