在CAE仿真中，超弹性材料的应用非常广泛。超弹性材料是一类具有特殊力学性能的材料，其最显著的特点是在较大的应变范围内能够实现高弹性变形，而普通金属材料的弹性变形往往在小于0.5%的应变范围内，这种特性使得超弹性材料在多个领域有着广泛的应用。

在SOLIDWORKS Simulation中，超弹性材料的应用主要体现在对复杂力学行为的精确模拟，例如，在模拟橡胶圈的压缩变形时，超弹性材料模型能够更准确地反映其在大应变下的非线性行为。

一、     模型构建

为了深入理解超弹性材料在CAE仿真中的应用，我们可以通过一个具体的案例来进行分析。如下图所示，我们构建了一个由底座、压板和橡胶圈组成的模型。

在本文中我们实施了两种类型的分析：一种仅考虑线弹性变形，忽略了非线性效应；另一种则全面考虑了非线性因素。在建立静态应力分析时，我们利用了2D简化功能，通过选取前视基准面作为剖切面并设定模型中心轴为对称轴，以减少计算复杂度。

二、     线性弹性分析

新建静应力分析，勾选【使用2D简化】，如下图所示。

在2D简化中我们需要做如下图所示的设置，选择剖切面为前基准试图，对称轴为模型的中心轴。

2D简化设置

下图显示为简化后的2D模型。

为底座和压板选择适当的金属材料（如钢或铝），图5a，并设置其弹性模量和泊松比。

对于橡胶圈，暂时选择一种线弹性材料，并设定其弹性模量和泊松比。

底座、压板材料设置

橡胶圈材料设置

约束底座的所有移动和旋转，并设置两组本地交互，形式为接触，如下图。

边界条件设置

如下图，在压板上施加一个向下的位移载荷，大小为3.5mm。

载荷设置

使用SOLIDWORKS Simulation的自动网格划分工具对模型进行网格划分。对橡胶圈采用网格控制，确保橡胶圈部分有足够的网格密度来捕捉变形。

网格划分、网格控制

下图展示了线弹性下橡胶圈的应力、应变与位移情况。

应力云图

应变云图

位移云图

三、     非线性弹性分析

通过SW Simulation算例复制，选择非线性静力。

非线性算例创建

通过算例的复制，我们无需进行重复设置。但对于橡胶材料，我们需将其模型类型改为“超弹性—Mooney Rivin”。

Mooney Rivin模型广泛用于橡胶等超弹性材料的力学行为，该模型基于应变能密度函数，可以表示为多项式的形式，其中包含了材料常数C_ij和d_k，这些常数需要通过实验来确定，在Simulatuin中，可通过使用曲线数据来计算材料常量。

本例中我们直接定义第一材料参数（C₁₀）为2.3e-6，第二材料参数（C₀₁）为1e-7，二者单位为N/mm²，如下图所示。

 Mooney Rivin模型

下图展示了非线弹性下橡胶圈的应力、应变与位移情况。

底座

压板材料设置

橡胶圈材料设置

四、     结果对比与讨论

Mises应力

位移

应变

在SOLIDWORKS Simulation中，对超弹性材料进行线弹性分析和非线性分析后，对比两者的结果，我们可以从以下几个方面进行详细讨论：

a) 应力集中区域

在线弹性分析中，由于模型假设的简化，可能无法准确预测应力集中区域。即使存在应力集中，其程度和位置也可能与实际情况有所偏差。

非线性分析能够更准确地预测橡胶圈中的应力集中区域。这些区域通常位于结构几何形状发生突变或受到集中载荷作用的地方。了解这些应力集中区域的位置和程度，有助于评估橡胶圈的强度、耐久性和寿命。

b)              变形情况

橡胶圈在受到压板向下的位移载荷时，会发生弹性变形。但由于线弹性模型假设应力与应变之间的关系是线性的，所以橡胶圈的变形可能较为均匀，且变形量相对较小。

使用超弹性材料模型进行非线性分析时，橡胶圈会展现出其真实的非线性力学特性。在相同的载荷下，橡胶圈的变形量会更大，且变形可能更加集中或分散，这取决于橡胶材料的具体属性和结构。

c)  应变分布

在线弹性分析中，橡胶圈的应变分布可能相对均匀，没有显著的应变集中区域。这是因为线弹性模型假设在整个变形过程中材料的应力-应变关系是恒定的。

在非线性分析中，橡胶圈的应变分布可能更加复杂。由于超弹性材料的非线性特性，应变可能会在某些区域集中，形成高应变区域。这些高应变区域可能会对橡胶圈的性能和寿命产生重要影响。

五、     结论与建议

通过对比线弹性分析和非线性分析的结果，我们可以更全面地了解超弹性材料在SOLIDWORKS Simulation中的力学特性。非线性分析能够更准确地模拟橡胶圈的实际变形行为和力学性能，为产品设计、优化和评估提供有力支持。因此，在进行涉及超弹性材料的仿真分析时，建议优先考虑使用非线性分析方法。