用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法与流程

本发明涉及能见度仪领域，尤其是涉及一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法。

背景技术：

1、随着水利水电工程技术的飞速进步和广泛应用，大型水电站作为清洁、可再生能源的重要来源，其建设规模与数量持续增长。其中，深孔闸门作为水电站关键设施之一，担负着调节库容、控制流量、保障发电效率等重要职责。然而，深孔闸门的橡胶密封件在长时间运行过程中，由于承受复杂且频繁的力学负荷，以及受水体侵蚀、温度变化、老化等因素影响，不可避免地会出现漏水现象，严重时甚至影响整个水电站的正常运行与安全性能。

2、传统应对橡胶密封件漏水问题的修复方法往往工序繁琐、耗时较长，且需要投入大量人力、物力资源。修复过程中可能涉及密封件的拆卸、更换、重新安装等一系列复杂操作，对水电站的正常运营造成干扰，增加了维护成本。同时，橡胶材料因其特有的非线性力学性质，即应力与应变之间并非简单的线性关系，而是呈现出高度的非线性、滞后性、蠕变性等特点，使得准确描述和预测其在各种工况下的应力应变行为成为一项技术挑战。现有的简单线性或低阶非线性模型往往难以精确模拟橡胶密封件在大变形、高应变率、复杂加载路径下的实际响应，导致修复方案设计的准确性受限，影响修复效果和密封件的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，提出了一套从基础力学测试到本构模型选择、再到有限元分析优化和现场修复实施的全面解决方案，有效提高了橡胶密封件的维护效率和使用寿命。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，

3、s1、对橡胶材料的应力应变关系进行实验研究，获取材料的基础力学数据；

4、s2、根据橡胶材料的非线性特性和几何非线性，选择适合的超弹性本构模型；

5、s3、利用实验数据，通过数学拟合方法确定所选本构模型的参数；

6、s4、利用有限元分析软件，构建橡胶密封件的三维几何模型，并将拟合得到的材料参数输入到模型中，对橡胶密封件进行数值模拟；

7、s5、对橡胶材料的特点，实施三段式网格剖分，形成雕塑网格布局，确保网格单元尺寸设计合理；

8、s6、根据有限元分析结果，对橡胶密封件的性能进行定量评价，包括密封性能、耐久性、抗疲劳能力指标；

9、根据评估结果，对密封件的设计进行优化。

10、优选方案中，步骤s1具体步骤为：

11、准制备橡胶材料的试样，使用万能材料试验设备对橡胶试样施加控制的拉伸、压缩或剪切加载，实验过程中，实时采集应力和应变数据，包括应力的应变曲线、弹性模量、断裂强度、断裂伸长率；

12、整理实验数据，排除异常值，确保数据的可靠性；

13、分析实验数据，确定橡胶材料的力学特性，力学特性包括非线性行为、弹性特性和屈服行为。

14、优选方案中，步骤s2-s3具体步骤为：

15、a1、根据步骤s1中的力学数据，选择超弹性本构模型，本构模型为arruda-boyce模型，或者为mooney-rivlin模型，或者为ogden模型；

16、a2、根据步骤s1中的力学数据，确定需要拟合的模型参数；

17、构建mooney-rivlin模型的具体步骤，应变能密度表达式由i1、i2、i3表示；

18、各向同性的橡胶材料的应变能密度可以分解为两部分进行计算，分别为应变能偏量和体积应变能：

19、w ＝ f(t1 - 3, t2 - 3) + g(j - 1)； (1)

20、其中，t1＝j-2/3i1，t2＝j-4/3i2，j为橡胶材料的体积压缩比；

21、令由公式(1)经过泰勒展开可以转变为：

22、

23、式中：n为选择的多项式的阶数；

24、di取决于橡胶材料的压缩情况，di都为0代表材料完全不可压；

25、对于此多项式模型，不管n取多大，初始的剪切模量g0和初始的体积模量k0都只取决于n＝1时多项式的系数，关系如下所示：

26、g0＝2(c10+c01)； (3)

27、

28、其中，i1和i2是与橡胶材料的体积压缩比j相关的变量，c10和c01是模型的参数。

29、优选方案中，步骤s4-s6具体步骤为：

30、b1、首先要对其零部件进行三维建模，正确的模型建立才能进行接下来的仿真分析，否则结果会有很大的偏差，建模一般使用autocad或者ug来进行建模，可以直接导入到其他仿真软件中进行分析；

31、b2、模型中有金属材料和橡胶材料，橡胶材料根据步骤s2-s2的本构模型，选择拟合度最高的模型的参数填入下表中，然后将该属性赋予到相应的材料上，金属材料相对于橡胶材料，可以当作刚体计算；

32、b3、然后创建截面，将材料属性赋予截面，创建实体均质的截面，再选择第一步创建的材料模型，创建橡胶材料截面与金属材料截面；

33、b4、建模的零件是一个一个散开的，装配的目的就是将他们组合起来；

34、b5、对橡胶封件模型进行网格划分，当载荷随时间变化时，需要将时间离散为时间小段来计算每个时间的结果，把全部时间划分为n+l个时间小段，且1，2，3，...n，n+1的初始时间为0，t1，t2，...，tn-1，tn；

35、当第n+l个增量步完成求解后，由于第n步后的构型已知，因此tn-r时刻的应力、应变、位移等参数已知；

36、tn时刻的参数可以表示为tn-1时刻的参数值和tn-1与t,的参数差值的加和；

37、b6、定义相互作用主要包括定义装配体的刚体属性、盾构机主轴密封模型中的接触以及接触在施压后的压力穿透；

38、b7、使用静力学分析来对闸门和橡胶进行分析，创建仿真作业，数据均采用默认值；

39、提交作业，软件计算得到仿真结果。

40、本发明提供了一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，该方法首先通过实验获取密封件材料的基础力学数据，然后根据实验数据拟合得到材料本构模型的材料参数，最后利用这些参数对密封件进行有限元分析和计算。这种方法能够准确描述橡胶材料的变形情况，提高本构模型的准确度，从而提高实验结果的准确性。

技术特征：

1.一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，其特征是：

2.根据权利要求1所述一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，其特征是：步骤s1具体步骤为：

3.根据权利要求1所述一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，其特征是：步骤s2-s3具体步骤为：

4.根据权利要求1所述一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，其特征是：步骤s4-s6具体步骤为：

技术总结本发明提供一种用于水闸橡胶密封件的本构模型建立方法，橡胶材料的应力应变关系进行实验研究，获取材料的基础力学数据；根据橡胶材料的非线性特性和几何非线性，选择适合的超弹性本构模型；利用实验数据，通过数学拟合方法确定所选本构模型的参数；利用有限元分析软件，构建橡胶密封件的三维几何模型，并将拟合得到的材料参数输入到模型中，对橡胶密封件进行数值模拟；对橡胶材料的特点，实施三段式网格剖分，形成雕塑网格布局，确保网格单元尺寸设计合理；根据有限元分析结果，对橡胶密封件的性能进行定量评价，包括密封性能、耐久性、抗疲劳能力指标；根据评估结果，对密封件的设计进行优化。提高本构模型的准确度，从而提高实验结果的准确性。技术研发人员：胡兴,万刚,朱思思,毛远平,杨永明,涂书豪,王随玲受保护的技术使用者：中国长江电力股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/8/5