曹中源 王鹏 李屹峰

摘 要：在有限元仿真中，泡棉橡胶的超弹性特征有多种本构模型可供选取，不同的模型适用于不同的变形条件，选取合适的超弹性本构模型有利于提高仿真精度。根据泡棉压缩力引起的实际变形案例，探究了Marlow模型、Odgen模型的仿真精度表现。在仅有泡棉橡胶压缩性能数据的条件下，选用Marlow模型同时设置泊松比为0，可准确仿真出泡棉橡胶的变形形态及压缩力引起的变形。

关键词：泡棉橡胶;超弹性本构模型;有限元分析;变形

0 引言

在整車尺寸匹配中，由各类泡棉橡胶的压缩力引起的变形问题已成为控制整车制造质量的难点。在整车设计开发的前期，利用有限元仿真识别泡棉橡胶的压缩力带来的影响，可以提前发现设计问题，减少后期设计更改的投入。泡棉橡胶是一种非线性材料，在有限元软件Abaqus中选择合适的超弹性模型表征其特性，可以有效提高仿真精度。

1 超弹性本构模型

对于橡胶材料，在大变形的情况下，其变形过程仍然是可逆的，可将橡胶材料当作超弹性材料。泡棉橡胶区别于普通硬质橡胶，其通过发泡工艺制备，材料本身具有很多空隙，表现为压缩过程中体积可以变小，释放压力后，其形态又可恢复，所以在Abaqus软件中需设置合适的泊松比，表征压缩过程中的材料体积变化。超弹性本构模型分为基于热力学统计的本构模型与基于现象学的本构模型。在有限元仿真时，现象学的本构模型应用较为广泛，常用的有Odgen模型，Marlow模型等。现象学本构模型以应变能描述材料的超弹性，将其分解成应变偏量能和体积应变能两部分，具体形式如下所示：

2 不同超弹性本构模型下的仿真结果

图1是汽车尾灯的安装示意图，在尾灯与钣金支架之间有一圈泡棉，起着密封防水的作用，当紧固螺栓后，泡棉橡胶的压缩反力会使钣金支架发生变形。通过实验测得泡棉橡胶的压缩性能数据，在运用Abaqus进行仿真时选择Odgen与Marlow超弹性本构方程，对比仿真结果与实际测量结果，评估不同超弹性本构模型的适用性。表1是对三种类型尾灯的安装变形仿真，泡棉橡胶的设计压缩量为50%，实际情形下，钣金支架受泡棉橡胶的压缩反力而发生变形，导致压缩量小于50%。由表1可知，Odgen模型下，泡棉橡胶的压缩量与设计压缩量差别较大，泡棉橡胶相比实际偏硬，导致相应的钣金支架的变形量也偏大，如表2所示。相较于Odgen模型，Marlow模型下泡棉的形态与压缩量更符合实际，仿真出的钣金支架变形量也更符合实际测量值。

3 结论

通过实际变形案例探究了泡棉橡胶Odgen模型与Marlow模型对仿真精度的影响，在仅有压缩性能数据的条件下，应用Marlow模型会获得更高的仿真精度，Odgen模型下的泡棉橡胶会比实际偏硬，导致仿真结果误差偏大。

参考文献：

[1]钱胜，陆益民，杨咸启，吴承伟.橡胶材料超弹性本构模型选取及参数确定概述[J].橡胶科技，2018，16（05）：5-10.

[2]李晓芳，杨晓翔.橡胶材料的超弹性本构模型[J].弹性体，2005（01）：50-58.

作者简介：曹中源（1994-），男，安徽六安人，硕士研究生，尺寸认证项目工程师，研究方向：汽车内外饰零件装配变形CAE仿真研究。