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基于单轴拉伸试验的汽车球铰防尘罩有限元建模方法研究

李小珊，秦再武，纪浩

上汽通用五菱汽车股份有限公司

摘要：本文通过橡胶材料的单轴拉伸试验获得的应力-应变曲线，拟合I1-dependance常用橡

胶本构模型，发现Marlow模型拟合曲线与试验曲线吻合度最高，并运用Marlow本构模型，在

Abaqus内建立了与台架耐久试验结果一致的底盘球铰防尘罩进行仿真模型。

关键词：单轴拉伸Marlow模型防尘罩有限元

SimulationofVehicleBallJointDustCoverBaseonRubber

UniaxialTensileTest

LiXiaoshan,QinZaiwu,JiHao

SAICGMWulingAutomobileCo.,Ltd

Abstract：Thispaperstudyonbuildingafiniteelementmodelofvehicleballjointdustcover

baseonrubberuniaxialtensiletest.Among4typesofI1-dependancemodels,Marlowmodelhasthe

highestcalculationprecisionwithuniaxialtensiletestcurve.AndMarlowmodelwaschosenas

materialsconstitutivemodelinsimulation.Theresultisvalidatedbythecomponentfatiguetest.

Keywords：UniaxialTensileTest，MarlowModel，DustCover，FiniteElement

1前言

汽车底盘的球铰具有三个转动自由度，传递力和运动，是底盘关系安全的重要零件。球铰无

需保养，即要求其设计尽可能在整个车辆寿命内保持性能。而球铰内一旦进入泥水等脏污介质，

极易磨损失效。因此，对球铰防尘罩的密封性及耐久性设计要求非常高。

球铰防尘罩通常为橡胶材料。确定橡胶等弹性体材料的非线性特性需通过进行胶料的单轴拉

伸试验、等双轴拉伸试验、和平面拉伸试验获取。国内仅有少数研究机构可以进行完整的橡胶本

构关系测试，且费用昂贵，而一般橡胶制品厂家仅可进行单轴拉伸试验，故基于完整的橡胶本构

模型的橡胶零件设计仿真未能推广在工程领域，这也是带橡胶结构的底盘零部件的有限元分析一

直是CAE中的难题的根本因素之一。

本文运用橡胶材料的单轴拉伸试验所得的应力-应变曲线，拟合I1-dependence常用橡胶本构

模型，发现Marlow模型拟合曲线与试验曲线吻合度非常好；并运用Marlow本构模型，在Abaqus

内建立了球铰防尘罩的仿真模型，得到与台架试验接近的结果，探索基于单轴拉伸试验在橡胶防

尘罩的工程分析可行性。

2基本理论

2.1橡胶材料的应变能密度函数

1948年,R.S.Rivlin推导出橡胶的本构模型，即各向同性的不同材料的应变能密度函数[1]：

n

????

WC(I3)(Ij3)

ijWC(I3)(Ij3)

iji

i?j?1

（1）

其中，Cij为材料常数，可以通过试验获得，橡胶作为不可压缩材料，其一阶、二阶、三阶

Green应变不变量I1，

I

，I3和三个主拉伸比

2

?，?2，

?

13

有如下关系：

I?2?2?2

???

1123

I??????

?2?2?2

2123

???222

I??1

3123

（2）

2.2常用的I1-dependence橡胶本构模型

在R.S.Rivlin所推导的橡胶本构模型的基础之上，发展了多种形式的超弹性材料的应变能密

度函数，当条件受限，仅能获取有限的模型常数且分析模型变形模式一定时，可以尝试采用

I1-dependence模型进行拟合[2]，即不考虑二阶Green应变不变量I2。Abaqus软件里常用的

I1-dependence模型有Neo-Hookean模型，Yeoh模型，Arruda-Boyce模型，和Marlow模型。

2.3橡胶材料的应力-应变关系

Piola-Kirchhoff和Cauchy-Green定义了橡胶材料的应力-应变关系[3]，上官文斌由应变能密度

函数，对三个主拉伸比?1，

?

2

，?3分别求导，计算出材料在不同变形状态时的工程应力为

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