基于MAT_083材料卡片的汽车座椅泡沫特性参数拟合实验与对标分析

2025-02-18

汽车座椅的舒适性很大程度上取决于座椅泡沫材料。泡沫材料凭借其独特的物理特性，在座椅的座垫、靠背等部位广泛应用。泡沫材料具有粘弹性，具备比较好的滞后损失，较高的压缩比，能够在震动时吸收能量，起到减震的作用，并且其成形性、弹性都较好。

图1：汽车座椅结构图

在正常行驶时，泡沫材料能够均匀分布乘客的体重，减少振动和冲击，提供舒适的乘坐体验。这种特性使得乘客在长时间乘坐过程中也能保持舒适，减少疲劳感。此外，泡沫材料的高能量吸收能力在车辆碰撞等极端情况下尤为重要。它可以通过吸收和分散冲击力，有效降低乘客所受的冲击力，减少受伤风险。因此，准确地对泡沫材料进行建模和仿真分析，对于优化汽车座椅设计、提升车辆整体安全性具有重要意义。

MAT_083

适用于泡沫的材料模型

为了准确模拟泡沫材料在碰撞中的行为，工程师们需要依赖材料卡片（Material Card）来描述其力学特性。而在众多材料模型中，**MAT_FU_CHANG_FOAM（MAT_083）**因其简单易用且适用于泡沫材料的特性，成为了工程师们的首选。

MAT_083材料模型是一种一维材料定律，基于零泊松比的假设。它基于Fu Chang（1995）提出的泡沫材料统一本构方程。可以在低和中密度泡沫中模拟速率效应。MAT_083的主要优点是用户可以直接输入单轴压缩的实验结果。如果有的话，还可以直接输入拉伸和静水压实验结果。MAT_083广泛用于可逆泡沫的建模，主要原因可能是无需定义复杂的材料参数。

EPP泡沫的材料卡片

为了更好地利用 MAT_083 对泡沫材料进行建模，众多学者开展了相关研究。Enver Serifi、Andreas Hirth、Stefan Matthaei 和 Heiner Mullerschon 等人针对 EPP 泡沫材料，进行了深入的研究与对标，旨在生成适用于EPP泡沫材料的MAT_083材料卡片。
（原文地址：https://www.dynalook.com/conferences/european-conf-2003/modelling-of-foams-using-mat83-2013-preparation.pdf）

1. 实验设计

在MAT_083中使用工程应变率而不是真实应变率，允许输入加载曲线，不允许引入卸载曲线。

其中，只有静水载荷曲线可以被引入。因此，可能会出现高应变率下，单轴压缩应力值高于静水压缩应力值的情况。对于这些情况，应仔细检查，并在必要时避免使用三轴载荷曲线。如果在MAT_083卡中定义了可选的静水载荷曲线，则应力按以下公式计算：

公式1：计算三轴载荷曲线的影响

这个公式仅用于满足单轴和三轴加载情况的边界条件。从公式中可以看出，在单轴加载情况下，α等于1，因此只取单轴载荷曲线的值。而在三轴加载情况下，α等于0，因此只取三轴载荷曲线的值。

由于MAT_083仅使用材料卡中的载荷曲线，因此在松弛过程中，应力值会立即下降到最小应变率载荷曲线在相同应变值处的应力值，这导致模拟中出现不真实的松弛行为。

图2：粘性材料的实际物理行为与MAT_083的松弛行为之间的差异

2. 曲线拓展

图3：原始和处理后的实验数据

由于实验设置的原因，应避免在致密化区域使用不可靠的数据。可以目视决定可靠性结束的极限，并利用以下函数生产数值稳定的载荷曲线。

公式2：用于曲线扩展的双曲函数

使用以下假设和约束条件扩展曲线：

泡沫材料在零孔隙率时的杨氏模量等于基体材料的杨氏模量
使用双曲函数扩展曲线，直到零孔隙率
从零孔隙率到99%的曲线扩展，假设基体材料为线性弹性，以线性方式进行
为了避免100%或更高的压缩,在99%处进一步扩展曲线，形成几乎垂直的切线，以确保数值稳定性

图4：按照上述步骤扩展的曲线

3. MAT_083材料卡片

形式：

定义：

仿真验证

通过将使用计算出的载荷曲线准备的模型与实际应用（如单轴压缩测试、剪切测试和落塔实验）进行比较，验证材料卡片与实际的准确性。

1. 落球模拟：

泡沫材料为非均匀变形的应用，涉及压缩、拉伸和剪切。从结果来看，加载部分相当相似，但卸载部分比实际应用更僵硬。原因是，在MAT_083中仅定义了加载曲线。最低应变率载荷曲线，即准静态载荷曲线，被用作卸载曲线。这个相对不真实的卸载假设使得模型表现得更僵硬。

在一些动态应用中，卸载也很重要，一些工程师将动态卸载曲线定义为准静态载荷曲线，以避免这种更僵硬的行为。这种假设有助于在动态卸载中使用MAT_083模拟更真实的卸载行为。然而，这只适用于动态情况。在准静态加载的情况下，必须引入真实的准静态载荷曲线，以避免过于柔软的行为。

图5：落球模型与实际落球应用结果的比较

2. 剪切加载模拟：

在MAT_083中，允许直接输入单轴压缩、静水压缩和拉伸。没有直接输入剪切载荷曲线的选项。然而，使用可用的载荷曲线，也可以模拟剪切。下图展示了在仿真模拟的剪切加载与实际应用结果的比较。从图中可以看出，直到实际应用的破坏点，实际应用和仿真模型的结果相当相似。实际应用和仿真模型在破裂后出现差异的原因是，仿真模型中没有引入失效标准。