橡胶刚度下降30%？马林斯效应：那个被忽略的仿真变量

橡胶制品研发中常会遇到这样的情况：一个新开发的橡胶悬置，装车测试时刚度符合设计要求，但经过一段时间跑合后，感觉变软了。或者一个轮胎产品在仿真中预测的疲劳寿命较长，但台架试验中较早出现了裂纹。

这种随加载历程发生的刚度下降，是填充橡胶的典型特征，即马林斯效应（Mullins Effect）。它存在于大多数填充橡胶制品中，但在仿真和产品设计环节，有时会被简化处理。

本文从马林斯效应的定义出发，讨论它对仿真结果和产品性能的影响，以及在材料测试阶段如何将其纳入考量。

什么是

马林斯效应

马林斯效应是指橡胶在首次加载到某一应变后，卸载再重新加载时，其应力应变曲线明显低于首次加载曲线，模量发生不可逆软化的现象。

循环加载(拉伸-恢复)的示意图与模型图

这一现象与橡胶内部的填料网络有关。炭黑或白炭黑填充量越高，应力软化越明显。软化的程度取决于材料所经历过的历史最大应变，之前被拉伸到的程度越大，后续软化越显著。

马林斯效应意味着橡胶的力学行为与其加载历史相关。它会记住自己曾达到的最大拉伸状态，并在后续加载中表现出不同的刚度。

对仿真的

影响

传统的超弹性模型假设材料是完美弹性的，无论加载次数多少，应力应变路径都重合。但实际橡胶并非如此。

如果在仿真中忽略马林斯效应，可能会出现以下偏差：

在断裂力学中常用比例因子k来描述能量释放率与应变能密度、裂纹尺寸之间的关系。上述研究发现，马林斯效应会使k因子显著增大，从而导致能量释放率超出预期。

无马林斯效应与弱马林斯效应工况下的因子 k 响应对比

对产品的

影响

马林斯效应在产品上的具体表现包括两方面。

• 刚度衰退：
  发动机悬置、衬套等承载部件在初次加载后刚度下降，会影响系统的NVH性能。如果设计时未考虑这一软化，产品在服役过程中可能偏离设计点。

• 裂纹加速扩展：
  应力集中因子增大，意味着裂纹在相同载荷下更容易扩展。对于承受复杂载荷的轮胎、密封件等产品，忽略马林斯效应可能导致预测寿命偏高，耐久性评估偏于乐观。

如何

在材料测试阶段应对

马林斯效应可以通过材料循环拉伸应力应变曲线测试进行量化。在测试阶段执行多级循环加载试验，例如控制应变从25%逐级加载到100%，可以获得不同应变水平下的加载-卸载曲线，进而拟合出描述软化的材料参数。

多级循环加载条件下的试验曲线（单轴拉伸）

目前常用的描述模型是Ogden-Roxburgh伪超弹性模型，其关键参数包括控制软化幅度的r、控制过渡区形状的m和β等。

将这些参数代入有限元仿真，可以模拟材料在经历载荷历史后的软化行为，从而更准确地预测产品在使用中的刚度变化、裂纹尖端的真实能量释放率，以及基于断裂力学的疲劳寿命。

易瑞博

可以提供哪些支持

易瑞博科技在橡胶材料测试与仿真领域积累了多年经验。针对马林斯效应，我们可以提供以下支持：

结

语

马林斯效应是填充橡胶的固有属性。在材料数据采集和仿真模型中将其纳入考量，有助于产品设计更接近实际工况。

如果您正在关注橡胶产品的刚度衰退或耐久性问题，欢迎从马林斯效应入手重新审视材料数据和仿真模型。我们的团队可以为您提供从材料测试到疲劳寿命分析的全套解决方案。

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