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人造橡胶的拉伸模型
原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表:2007-07-02 人气:2
本文章共3529字，分3页，当前第1页，快速翻页：
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随着试验模型在业界尤其是在汽车领域的普及，你或许会认为工程师们已经掌握了各种针对普通材料零件的复杂建模方法。可是广泛用于密封的热塑性人造橡胶始终是工程师无法攻克的领域。
“在建模过程中，对于这些材料，就是很多经验丰富的工程师也无计可施。”Mike Bednarik说，他在一家热塑性人造橡胶（TPE）的主要供应商——艾克森美浮石油Santoprene特色产品集团中负责汽车车身密封条的应用。主要原因应当归咎于双重非线性效应。他说：“材料本身是非线性的，”他的意思是指热塑性人造橡胶在实际情况下的表现一般仅与它应力应变曲线中的非线性部分相关。他还说：“而且它们常发生非线性的形变。”这是指在设计中热塑性人造橡胶零件常需要承受很大的应力。
据Santoprene的高级设计工程师、人造橡胶建模专家Ward Narhi说，在结构分析中若不能对这种非线性行为进行精确计算，将会过高的估算热塑性人造橡胶零件的刚度值。他说：“估算值比实测值常常要高出100%至200％。”
然而在了解人造橡胶的性能并采取合适的分析方法之后，FEA（有限元分析）的精度显著提高了。Narhi指出，Santoprene的设计工程师目前对应力的估算值与实测值相比，一般误差都在10％的范围内。他说：“任何一个熟悉人造橡胶的工程师都清楚地知道，做到这样的结果是十分困难的。”
Narhi相信这种能够处理黏弹性、非线性材料模型的商业FEA代码组在精度方面已经得到了很大的改进。他说：“在过去的十年中，他们已经有了很大的进步。”
可是，要成功的为人造橡胶建模，不仅需要合适的FEA软件。他补充说：“还需要丰富的经验。”幸运的是，Narhi很愿意分享他的经验。他和他的整日为Santoprene的热塑性硫化橡胶建模的同事们提出了三种提高FEA计算结果精度的策略来与大家分享：
不要使用线性求解器
很显然，对于热塑性人造橡胶来说线性求解器不是最好的分析工具。Narhi说：“我们一直在关注它，但应用它的话会发生严重的错误。”事实上，就是这样的错误才导致对材料的刚性预算过高。因此Narhi提到这点说：“这样就是根本的错误了。”
那么，线性代码是如何影响刚度的预测呢？当你在观察热塑性人造橡胶的应力应变曲线时，会发现它会有很小的一段线性部分，在这一段线性代码是有用的。事实上，它可以提供刚度的原始数据。可是，问题是热塑性人造橡胶的线性区域在应变达到2％时就结束了。“在实际应用中，这种材料的应变一般都可以达到10％、15％或20％，就只能用到曲线的非线性部分了。”
在应力应变曲线的非线性部分， 人造橡胶的表观模数与最初预测的刚度是有差异的。例如，实际应用中处于拉伸状态下零件的刚度明显小于基于线性曲线的预测结果。Narhi解释说：“那是因为人造橡胶在拉伸的时候会变软。”若在设计过程中使用过高估计的刚度数据，零件就会因为无法承受而失效。
Narhi继续说，处于挤压状态下的零件，刚度会大于线性分析预测的结果。依据这种结果的设计的零件将会超越实际需要的性能。他说：“我们见过那种零件，比所需要的要厚3至4倍。”
它不像金属，仅一种材料模型就足够了。
尽管如此，在人造橡胶的分析中线性解算器在预测初始刚度时还是有一点作用的。Narhi说那种带有D形支架硬度计的特别硬的人造橡胶，应力应变曲线中线性的部分就会长一些，这也与零件在实际工作条件下测量的结果相符。 
热塑性弹性体有限元分析变得更加重要，因为它有效推动了传统
热固性橡胶在密封领域的应用——包含各种用于汽车门、窗的密封条
然而在很多情况下，Narhi清楚地掌握了可对人造橡胶进行分析时的各种线性FEA代码组。 他喜欢先用已公开的应力应变数据进行快速计算后，得到刚度的粗略测算数据。为了得到更加详细的信息，他与其他Santoprene的工程师会使用那些具有强大非线性分析功能的FEA软件。他们在工作中非常喜欢使用Abaqus，但也经常用MSC Marc。Narhi说：“Abaqus是最早为橡胶和人造橡胶开发的代码，但其他非线性代码也不错。”
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