泡沫塑料，损伤软化，汽车保险杠
泡沫塑料是一种多孔轻质结构材料，具有相对密度低、比模量和比强度高等优点。减振和能量吸收能力优良的典型泡沫塑料，如膨胀聚丙烯(EPP)、聚氨酯(PU)和聚苯乙烯(PS)泡沫塑料等，目前已广泛用于制造部分汽车内饰件和碰撞能量吸收部件(如汽车保险杠的缓冲部件)。
开展和完善泡沫塑料力学行为研究工作是相关部件设计改进的重要基础。与泡沫塑料试验研究相关的文献中曾有作者提及1-4，泡沫塑料在初次加卸载之后会出现应力软化现象(如图1所示)，即首次加卸载循环的加载曲线明显高于后续循环的加载曲线。从与之类似的填充橡胶的 MULLINS效应5推断，这种软化很可能也源于材料加载过程中的内部损伤累积，因此本文称之为损伤软化。尽管如此，泡沫塑料的损伤软化现象并未得到重视，文献调研尚未发现有计及泡沫塑料损伤软化效应
图1 泡沫塑料损伤软化疚示意图
的材料模型的研究报道，更无文献就损伤软化效应对包含泡沫塑料的结构性能的影响进行深入讨论。
目前部分汽车保险杠低速碰撞相关法规对碰撞变形量和变形回复都有具体要求，对低速碰撞后的保险杠结构承载能力却未作说明和要求。为保证低速碰撞后的保险杠系统仍旧发挥足够的安全保护功能，保险杠缓冲泡沫件的更换原则除依据法规规定的变形回复状况外，实际上还应考虑因内损伤造成的能量吸收水平的下降。本文为此开展了初步研究，一方面通过试验验证和分析泡沫塑料的损伤软化效应;另一方面利用商用有限元程序建立汽车保险杠结构的低速碰撞模型，初步探讨了泡沫缓冲件的设计参数和损伤软化对保险杠承载能力的影响。
泡沫塑料的多次单向压缩试验
试验描述及结果
选择一种密度为 75kg/ 的开孔聚氨酯泡沫进行准静态单向压缩试验，试件尺寸为 50*50*50mm?加载速度为 10mm/in。对同一试件相继在最大应变 0.25、0.55和0.87下多次加载(图2~图4所示，图5将这三簇曲线放在一起进行比较)，以考察泡沫塑料加载过程中的内部损伤累积情况。
试验结果分析
从以上实验结果来看，在一定的最大应变水平下，后续加载曲线明显低于首次加载曲线，即发生损伤软它主要体现为泡沫塑料线弹性段的模量降低、平台区的坍塌应力降低，能量吸收水平下降；泡沫塑料的损伤软化和变形历史相关，当应变超过前几次加载的最大应变后，加载曲线又迅速回归到初始加载曲线路径上，在新的最大应变水平下，后续加载同样表现出明显软化。从图 3~图5可以看出，后续加载的泡沫塑料均存在一定的残余变形，且随着最大应变水平提高，残余变形也有所增大;但总的来说，残余变形量均较小，在使用相关材料模型进行模拟时，可以进行简化忽略。
保险杠结构低速碰撞的模拟
保险杠结构的有限元建模
建立了某轿车保险杠系统有限元模型，通过非线性分析有限元软件 ABAQUS进行低速碰撞模拟。有限元模型如图6所示，主要由保险杠泡沫塑料、金属横梁、纵梁、内衬横梁、曲支架、其他缓冲吸能元件和刚性墙构成。该模型模拟质量1500kg的刚性墙正面低速碰撞保险杠结构，起始碰撞速度为1.33ms(即4.8kmh)。模型中刚性墙采用解析刚体模拟，泡沫塑料件采用实体单元模拟，其他部件均采用壳单元。
图6 保险杠低速碰掊的有限元模型
图7 未操作和已操作泡沫塑料的加载应力应变曲线
模拟计算中涉及到的主要问题
(1) 沙漏控制和接触一碰撞界面算法采用粘性阻尼方法有效控制沙漏模态，沙漏能一般被控制在0.4%~3%范围内。采用罚函数法定义接触，在每一时间步先检查各从节点是否穿透主表面，没有穿透则对该从节点不作任何处理;如果穿透，则在该从节点与被穿透主表面之间引入一个较大的界面接触力。
(2) 保险杠结构材料特性有限元通用软件 ABAQUS中有一种描述泡沫弹性体材料的模型 HYPERFORM，可用其模拟一般泡沫材料的加载曲线，而且该模型结合其他关键字可以考虑损伤软化效应。要确定 HYPERFORM 模型材料参数，并保证该模型在复杂载荷工况下的合理性，需要提供一种以上变形模式的试验数据，如单向压缩、等双向压缩、简单剪切等;要确定泡沫塑料损伤变量的材料参数，除提供初始加载试验数据外，还需要提供一个以上最大应变水平下的稳定加载(或卸载，或加卸载)试验数据。
ABAQUS提供的另一种描述金属泡沫不可回复变形的 CRUSHABLE FOAM 材料模型实际上也可用于模拟泡沫塑料在单调加载下的瞬态响应，它可以考虑材料的应变率相关性。
资料来源：达索官方
