ABAQUS在橡胶制品领域的研究与应用

基于Abaqus的金属橡胶阻尼器本构研究

王振营1，毛晨曦2，赵亚哥白1，王大磊

（1. 东北林业大学 土木工程学院，哈尔滨 150040；2. 中国地震局工程力学研究所， 2

哈尔滨 150080）

摘要: 本文将金属橡胶试件单轴压缩试验应力-应变曲线，通过塑性数据转换后简化为四折

线本构模型，并基于Abaqus提供的用户自定义子程序接口，利用FORTRAN语言编制了金属橡

胶阻尼器本构子程序，将其嵌入到Abaqus材料库中。通过在单元模型和地震荷载作用下的12

层剪力墙结构中调用子程序，分别验证了其正确性。

关键词：金属橡胶阻尼器；单轴压缩；四折线简化本构模型；Abaqus；塑性数据转换；VUMAT

1 引言

金属橡胶是将金属丝卷成螺旋形，经过编织、加压成型，并经热处理而成的金属材料，不仅

具有较大的自回复弹性变形，而且具有阻尼大、重量轻、柔韧性好、吸收冲击能、不惧高低温作

用、不易老化等特点[2]。目前由金属橡胶制成的隔振器广泛应用于军事、航空航天、工程机械等

领域，但金属橡胶材料在土木工程结构领域的应用尚属空白。目前广泛应用的有限元软件Abaqus

具有很强的线性和非线性求解能力，不仅为用户提供了大量的单元库和求解模型，同时提供了大

量的用户自定义子程序（user subroutine）,使用户可以通过FORTRAN程序接口来定义Abaqus材

料库中没有的材料模型[1][3]

本文将金属橡胶试件单轴压缩试验应力-应变曲线（以下简称为试验“。

σε−曲线”），通过

塑性数据转换后简化为四折线本构模型，并基于Abaqus提供的用户自定义子程序接口，利用

FORTRAN语言编制了金属橡胶阻尼器本构子程序（以下简称为“MR-VUMAT”），将其嵌入到

Abaqus材料库中。通过在单元模型和地震荷载作用下的12层剪力墙结构中调用子程序，分别验

证了其正确性，为金属橡胶阻尼器在土木工程中的应用提供设计和分析参考。

2 金属橡胶试件单轴压缩性能试验及拟合曲线

１０　纳米氧化锌在橡胶制品中的应用研究　

纳米氧化锌在橡胶制品中的应用研究　

王敏　

（辽宁省辽中县辽河化工厂，辽宁辽中１１０２００）　

摘要：依据氧化锌是橡胶的活性剂和硫化剂的特点，选择两个有代表性的配方，分别对普　

通氧化锌和纳米氧化锌进行了对比试验。其结果表明：纳米氧化锌因其粒子细、比表　面积大、活性高，在配方中可以大幅减量使用。其胶料不仅在性能上优于或与减量前　使用普通氧化锌时相当，而且能明显降低胶料成本。因此，在橡胶行业中，用纳米氧　

化锌取代普通氧化锌是最好的选择。　

关键词：纳米；氧化锌；活性剂；硫化剂　

纳米材料是２ｌ世纪极为重要的新学科。它　研究的尺度是一毫米的百万分之一。在这种状态　

下的纳米材料，因具有许多独特性能和特点，所　

以正逐渐进人国民经济的各行各业。纳米氧化锌　由于粒子细、比表面积大、活性高等特点，将给　其应用领域带来深刻变化。　

笔者依据氧化锌是普通胶料中的活性剂和　在氯丁胶中做为硫化剂的不同作用，选择了有代　

表性的Ｖ带缓冲胶和以氯丁胶为主的胶管外胶，　

进行了试验和对比，为开发使用纳米氧化锌提供　和积累了数据，从而验证了纳米氧化锌在橡胶制　

品中应用和推广的优越性。　

ｌ实验　

１．１主要原材料　天然胶：泰国３　烟片胶；氯丁胶：ｃＲ３２１，　

山西云岗合成橡胶股份有限公司产品；纳米氧化　锌；陕西中科纳米材料股份有限公司产品；普通　

氧化锌（直接法）：河南荥阳长城锌品有限公司产　品；其它配合剂均为橡胶工业常用原料。　

１．２仪器和设备　

开炼机：Ｘ　Ｋ－１　６０，呼和浩特橡胶机械厂；　硫化仪：ＬＨ一１Ｉ型，北京化工仪器厂；平板硫　

化机：４５０ＫＮ，青岛化工机械厂；材料拉力试验　机：ＸＸＬ－２５００Ｎ，上海橡胶机械四厂；老化试验　箱：４０１型，江苏江都试验仪器厂。　

１．３性能测试　胶料的拉伸性能按ＧＢ／Ｔ　５２８～ｌ９９８进行；硬　度按ＧＢ／Ｔ　５３１—１９９２进行；热空气老化性能按ｃｓ／　

Ｔ　３５１２－－１９８９进行；老化条件为７ｏ℃×７２ｈ。Ｖ带　线绳与橡胶粘合强度按ＧＢ／Ｔ　３６８８－－１９８３进行。　

基于ABAQUS的橡胶隔震支座的力学性能分析

摘要：橡胶隔震支座是目前国内外应用最为广泛的隔震技术，本文结合隔震技术的原理与应用，基于有限元软件ABAQUS平台，使用Fortran语言编制单元子程序UEL，开发了隔震支座单元。通过导入各类隔震支座的力学模型，可以较真实地模拟隔震支座的工作状态及隔震结构的地震响应。将程序单元化，有助于推广到工程应用。通过与网壳模型振动台试验数据对比，证明了单元的适用性及精度。

关键词：ABAQUS；隔震支座；单层柱面网壳；单元子程序

0引言

历史上因为地震灾害导致的建筑、桥梁等结构破坏、倒塌的事件数不胜数，结构的破坏造成的人员伤亡难以承受，并且会导致巨大的经济损失，使城市的经济发展停滞。因此迫切的需要发展隔震技术，而橡胶隔震支座便能够在避免环境污染的同时保证工程结构的安全。

1橡胶垫隔震支座的材质

橡胶支座的主要材料之一是天然橡胶。橡胶既是超弹性材料，又是粘弹性材料，被挤压时体积几乎不变，内部具有一定的阻尼，具有材料和几何双重非线性，本构关系较为复杂。橡胶材料的本构关系与金属、混凝土等传统材料之间反映出了巨大的差异，这种巨大差异体现在橡胶材料可以承受较大荷载的同时，卸载后完全恢复至初始状态的特性，这种特性正是隔震结构所需要的特性之一[1]。

2橡胶垫隔震支座的种类

目前，隔震支座从组成上主要分为四大类[2-4]:橡胶隔震支座、滑动隔震支座、复合型隔震支座和其他隔震支座。其中，橡胶隔震支座应用最为广泛。这是一种由多层橡胶和多层钢板或其他材料交替叠置结合而成的隔震装置，可按中孔是否有插芯分为普通型和有芯型两种。其中，无芯型一般是指叠层橡胶支座，有芯型一般是指铅锌橡胶支座。此外，为了能够更好地延长结构周期，还有高阻尼橡胶隔震支座。

3橡胶垫隔震支座的力学性能

3.1竖向性能

在地震发生时，传统观点认为，水平地震力对结构的破坏起决定性作用，因此，近年来水平隔震技术的研究和应用日趋广泛，新的隔震体系不断得到开发和应用。相对于水平隔震技术，竖向隔震的发展相对缓慢。但是在近几十年的地震中，研究人员观察发现在震中和发震断层附近产生较强的竖向地震动，其中一些竖向地震动的加速度峰值超过水平地震动。

abaqus橡胶的材料参数

橡胶是一种常见的弹性材料，具有广泛的应用领域。在使用橡胶材料进行工程设计时，需要了解橡胶的材料参数，以便准确地模拟和预测其性能和行为。本文将介绍一些常见的橡胶材料参数，包括硬度、弹性模量、屈服应力、断裂韧性等，并探讨它们对橡胶性能的影响。

一、硬度(Hardness)

硬度是指橡胶材料抵抗外部压力的能力。常用的硬度测试方法有杜氏硬度、洛氏硬度和布氏硬度等。硬度的值越大，橡胶材料越难被压缩，硬度的值越小，橡胶材料越容易被压缩。硬度参数对橡胶的弹性、耐磨性和耐老化性能有着重要影响。

二、弹性模量(Elastic modulus)

弹性模量是指橡胶材料在受力时发生弹性变形的能力。它是描述材料刚性程度的指标，也叫做杨氏模量。弹性模量越大，橡胶材料的刚性越高，弹性变形越小。弹性模量对橡胶材料的弹性和变形能力有重要影响。

三、屈服应力(Yield stress)

屈服应力是指橡胶材料开始发生可观察的塑性变形时所受到的最大应力。屈服应力越大，橡胶材料的强度越高，能够承受更大的外部力。屈服应力对橡胶材料的可塑性和耐久性有重要影响。

四、断裂韧性(Fracture toughness)

断裂韧性是指橡胶材料在断裂前能够吸收的能量。它反映了材料抵抗断裂的能力。断裂韧性越高，橡胶材料的耐冲击性和耐磨性越好。断裂韧性对橡胶材料的使用寿命和可靠性有重要影响。

除了以上几个常见的橡胶材料参数外，还有一些其他的参数也对橡胶的性能和行为产生影响。例如，温度对橡胶的弹性模量和硬度有显著影响。随着温度的升高，橡胶材料的弹性模量和硬度会下降。此外，橡胶的化学成分和配方也会对其性能产生重要影响。不同种类的橡胶具有不同的化学成分和配方，因此其性能也有所差异。

橡胶的材料参数对其性能和行为有着重要的影响。通过了解橡胶的硬度、弹性模量、屈服应力、断裂韧性等参数，可以更好地预测和控制橡胶的性能，从而满足工程设计的要求。未来的研究可以进一步探索橡胶材料参数与其他因素的关系，以提高橡胶的性能和应用范围。