泡棉橡膠本構(gòu)模型的選取對(duì)仿真精度的影響

曹中源 王鵬 李屹峰

摘 要：在有限元仿真中，泡棉橡膠的超彈性特征有多種本構(gòu)模型可供選取，不同的模型適用于不同的變形條件，選取合適的超彈性本構(gòu)模型有利于提高仿真精度。根據(jù)泡棉壓縮力引起的實(shí)際變形案例，探究了Marlow模型、Odgen模型的仿真精度表現(xiàn)。在僅有泡棉橡膠壓縮性能數(shù)據(jù)的條件下，選用Marlow模型同時(shí)設(shè)置泊松比為0，可準(zhǔn)確仿真出泡棉橡膠的變形形態(tài)及壓縮力引起的變形。

關(guān)鍵詞：泡棉橡膠;超彈性本構(gòu)模型;有限元分析;變形

0 引言

在整車尺寸匹配中，由各類泡棉橡膠的壓縮力引起的變形問(wèn)題已成為控制整車制造質(zhì)量的難點(diǎn)。在整車設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的前期，利用有限元仿真識(shí)別泡棉橡膠的壓縮力帶來(lái)的影響，可以提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，減少后期設(shè)計(jì)更改的投入。泡棉橡膠是一種非線性材料，在有限元軟件Abaqus中選擇合適的超彈性模型表征其特性，可以有效提高仿真精度。

1 超彈性本構(gòu)模型

對(duì)于橡膠材料，在大變形的情況下，其變形過(guò)程仍然是可逆的，可將橡膠材料當(dāng)作超彈性材料。泡棉橡膠區(qū)別于普通硬質(zhì)橡膠，其通過(guò)發(fā)泡工藝制備，材料本身具有很多空隙，表現(xiàn)為壓縮過(guò)程中體積可以變小，釋放壓力后，其形態(tài)又可恢復(fù)，所以在Abaqus軟件中需設(shè)置合適的泊松比，表征壓縮過(guò)程中的材料體積變化。超彈性本構(gòu)模型分為基于熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)的本構(gòu)模型與基于現(xiàn)象學(xué)的本構(gòu)模型。在有限元仿真時(shí)，現(xiàn)象學(xué)的本構(gòu)模型應(yīng)用較為廣泛，常用的有Odgen模型，Marlow模型等。現(xiàn)象學(xué)本構(gòu)模型以應(yīng)變能描述材料的超彈性，將其分解成應(yīng)變偏量能和體積應(yīng)變能兩部分，具體形式如下所示：

2 不同超彈性本構(gòu)模型下的仿真結(jié)果

圖1是汽車尾燈的安裝示意圖，在尾燈與鈑金支架之間有一圈泡棉，起著密封防水的作用，當(dāng)緊固螺栓后，泡棉橡膠的壓縮反力會(huì)使鈑金支架發(fā)生變形。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得泡棉橡膠的壓縮性能數(shù)據(jù)，在運(yùn)用Abaqus進(jìn)行仿真時(shí)選擇Odgen與Marlow超彈性本構(gòu)方程，對(duì)比仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果，評(píng)估不同超彈性本構(gòu)模型的適用性。表1是對(duì)三種類型尾燈的安裝變形仿真，泡棉橡膠的設(shè)計(jì)壓縮量為50%，實(shí)際情形下，鈑金支架受泡棉橡膠的壓縮反力而發(fā)生變形，導(dǎo)致壓縮量小于50%。由表1可知，Odgen模型下，泡棉橡膠的壓縮量與設(shè)計(jì)壓縮量差別較大，泡棉橡膠相比實(shí)際偏硬，導(dǎo)致相應(yīng)的鈑金支架的變形量也偏大，如表2所示。相較于Odgen模型，Marlow模型下泡棉的形態(tài)與壓縮量更符合實(shí)際，仿真出的鈑金支架變形量也更符合實(shí)際測(cè)量值。

3 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際變形案例探究了泡棉橡膠Odgen模型與Marlow模型對(duì)仿真精度的影響，在僅有壓縮性能數(shù)據(jù)的條件下，應(yīng)用Marlow模型會(huì)獲得更高的仿真精度，Odgen模型下的泡棉橡膠會(huì)比實(shí)際偏硬，導(dǎo)致仿真結(jié)果誤差偏大。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李曉芳，楊曉翔.橡膠材料的超彈性本構(gòu)模型[J].彈性體，2005（01）：50-58.

作者簡(jiǎn)介：曹中源（1994-），男，安徽六安人，碩士研究生，尺寸認(rèn)證項(xiàng)目工程師，研究方向：汽車內(nèi)外飾零件裝配變形CAE仿真研究。