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塑料的非线性弹性本构模型及应用研究

王华毛显红吴延龙周云平许春铁

长安汽车股份公司汽车工程研究总院，重庆，401120

摘要：通过塑料材料的准静态拉伸力学实验，基于非线性粘弹性本构模型建立塑

料材料的非线性弹性本构方程；根据非线性弹性理论，采用Abaqus材料子程序

对塑料非线性弹性本构模型进行程序化，验证其有效性；并对塑料踏板进行强度

有限元分析，实现塑料踏板结构的强度校核，为塑料及其产品的分析与应用提供

了可借鉴的方法。

关键词：塑料非线性弹性Abaqus有限元分析

PlasticNonlinearelasticConstitutiveModelanditsApplication

Hua,Wang;Xianhong,Mao;Yanlong,Wu;Yunping,Zhou;Chuntie,Xu

ChanganAutoGlobalRDCentre，ChanganAutomobileCoLtd.

Chongqing，401120

Abstract：Basedonthenonlinearviscoelasticconstitutivemodel,thepaper

establishestheplasticnonlinearelasticconstitutiveequationbyquasi-statictensile

mechanicaltesting.Accordingtothenonlinearelasticitytheory,theplasticnonlinear

elasticconstitutivemodelisimplementedbyAbaqusUMATanditseffectivenessis

verified.Thestrengthfiniteelementanalysisofplasticpedaliscarriedoutandthe

studybasedonstressdistributioncanbeusedtocheckthestrength.Theprocessand

resultsofthepaperisveryhelpfulfortheplasticsanditsproductssimulationand

applications.

Keywords:Plastic,Nonlinearelasticity,Abaqus,Finiteelementanalysis

1引言

塑料作为一种轻量化材料，正逐步运用于汽车各零部件。预计到2020年，

汽车平均塑料用量将达到500kg/辆以上[1]。塑料在汽车工业中大范围的使用，要

求对塑料的力学特性及其产品的有限元分析进行系统的研究。文献[2-5]研究了塑

料材料在不同条件下的力学特性，提出相应的本构建模方法。文献[6-8]采用各向

同性的线弹性或塑性材料模型对塑料产品进行了有限元分析，但其材料模型缺乏

对塑料非线性力学特性的准确描述。因此研究塑料材料的基本力学特性，建立合

适的本构模型并在有限元分析中得以实现，进而对塑料产品进行有限元分析有重

要的学术价值和应用意义。

本文研究塑料40%玻璃纤维增强尼龙6(PA6+40%GF)的力学特性，基于塑料

高分子材料的非线性粘弹性本构模型—朱王唐(ZWT)方程，建立塑料

PA6+40%GF常温、准静态下的非线性弹性本构方程。根据非线性弹性理论，利

用Abaqus材料子程序在有限元分析中实现塑料的非线性弹性本构模型，进行塑

料踏板的有限元分析，实现对塑料踏板结构的强度校核。

2塑料的拉伸力学实验与本构建模

2.1塑料的拉伸力学实验

对于力学性能未知的塑料材料来说，材料的拉伸力学实验是获取材料应力应

变曲线、拉伸强度、断裂延伸率等材料力学性能参数的主要手段。

2.1.1试样标准

塑料材料的拉伸力学实验按照ASTM-D638塑料拉伸实验标准[9]进行，试件

采用ASTM-D638中的I型试样，如图1所示。实验时每组试件不少于5个，要

求试件表面平整，无气泡、裂纹、伤痕，内部无空隙等缺陷。

图1ASTM-D638I型拉伸试件

本文对塑料PA6+40%GF进行常温、准静态下的力学性能研究，采用0.2mm/min

的加载速度，应变率水平为10-4/s的准静态加载。

图2PA6+40%GF实验应力应变曲线图3试件断裂裂纹图

2.1.2实验结果

塑料PA6+40%GF在常温