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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
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