PC和PMMA两种高分子材料拉伸试验和数值模拟研究

摘要

本文在SHIMADZU（津岛）试验机上对PC（聚碳酸酯）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料进行了在不同温度和不同应变率下的准静态单向拉伸试验。PC材料的试验温度分别为30℃、60℃、90℃、120℃，拉伸速率为2.5mm/min和7.5mm/min，相应的应变率为0.00033 s-1和0.001 s-1。PMMA材料的试验温度为30℃、45℃、60℃，拉伸速率为1.25mm/min和5mm/min，相应的应变率为0.0002s-1和0.0008s-1。试验结果表明：PC材料和PMMA材料的力学性能具有明显的应变率和温度相关性，当应变率越大时，屈服应力增大，断裂伸长率减小，当温度升高时，屈服应力减小，断裂伸长率增大。且应变率与温度对PC材料和PMMA材料的影响存在时-温等效效应，升高温度的同时增大应变率可以得到相同的应力-应变曲线。
　　通过对试验数据及图像的分析，选取合适的本构模型（DSGZ本构模型）对试验进行数值模拟。首先，通过试验数据确定模型常数，以此得出PC材料和PMMA材料的DSGZ本构方程。为使模型与试验更加符合，对PC材料的DSGZ本构方程进行了改进，及确定了改进后的DSGZ本构方程。其次，运用FORTRAN语言对有限元软件ANSYS进行自定义本构模型的二次开发，即编写PC材料的改进后的DSGZ本构模型和PMMA材料的DSGZ本构模型在ANSYS中的用户材料子程序。并且通过单元拉伸数值模拟试验来验证子程序的可行性。最后，运用已经建立好的材料子程序对PC材料和PMMA材料进行拉伸数值模拟，与试验所得的拉伸应力-应变曲线进行对比，可以看到二者吻合较好，从而更进一步验证子程序的正确性。
　　运用所编好的用户材料子程序对路灯灯罩进行了在环境温度为30℃时不同风载荷作用下的数值模拟，得到了路灯灯罩在不同风速下的最大应力值和最小应力值。通过对路灯灯罩的数值模拟，进一步验证了所编写的材料子程序的实用性。

目录

PC和PMMA两种高分子材料拉伸试验和数值模拟结果

TENSILE TEST AND NUMERICAL SIMULATION

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题研究目的和意义

1.2 PC和PMMA材料力学性能研究现状

1.2.1 高分子材料的发展

1.2.3 PMMA材料力学性能的研究现状

1.3 粘弹性材料本构关系研究现状

1.5 本文主要工作

1.4 ANSYS软件二次开发研究现状

第2章 材料及ANSYS软件介绍

2.1 高分子材料

2.2.1 高分子材料的拉伸力学性能

2.2 聚碳酸酯

2.1.1 高分子材料的分类

2.2.2 聚碳酸酯的应用

2.3 聚甲基丙烯酸甲酯

2.3.1 聚甲基丙烯酸甲酯的性能

2.3.2 聚甲基丙烯酸甲酯的应用

2.4 ANSYS软件介绍

2.4.1 ANSYS软件功能及特点

2.4.2 ANSYS软件组成模块和分析流程

2.5 本章小结

第3章 PC和PMMA材料拉伸试验及DSGZ模型参数的确定

3.1 试验基本知识

3.2 试件加工及设备介绍

3.2.1 试件的加工

3.2.2 试验设备介绍

3.3 PC和PMMA材料拉伸试验设置及结果分析

3.4 DSGZ模型的选取及参数的确定

3.4.1 DSGZ模型表达式

3.4.2 PC和PMMA材料的DSGZ模型参数的确定

3.5 本章小结

第4章 ANSYS软件中本构方程的二次开发

4.1 ANSYS软件二次开发功能介绍

4.2 模型开发流程

4.3 单元拉伸试验在ANSYS中的数值模拟

4.4 本章小结

第5章 拉伸试验在ANSYS软件中的数值模拟

5.1 模型的建立

5.2 拉伸试验数值模拟结果分析

5.2.1 PMMA材料拉伸试验数值模拟结果分析

5.2.2 PC材料拉伸试验数值模拟结果分析

5.3 本章小结

第6章 路灯灯罩受风载荷作用下的数值模拟

6.1 引言

6.2 ANSYS软件中路灯灯罩模型的建立

6.3 路灯灯罩受风载荷作用下的数值模拟

6.3.1 风速为13m/s时路灯灯罩的应力分析

6.3.2 不同风速下路灯灯罩的应力分析

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发辫的论文及其他成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢