聚氨酯弹性体静动态力学性能及本构关系的研究

摘要

聚氨酯弹性体（PUE）具有轻质、耐磨、减震吸能等优点，被广泛应用于国民经济的各个领域。聚氨酯弹性体作为减震吸能部件常用材料，研究其在准静态载荷、动态载荷以及不同温度条件下的力学响应，建立其简单、实用、考虑应变率和温度效应的本构模型，在对聚氨酯弹性体产品的设计、制造以及可靠性分析等方面具有重要的理论指导意义。故本文采用实验结合理论分析的方法，开展了如下几个方面的研究：（1）聚氨酯弹性体材料的准静态单轴压缩测试及其超弹性本构的研究；（2）聚氨酯弹性体材料的动态压缩测试，建立并验证其粘-超弹性本构关系模型；（3）聚氨酯弹性体在不同温度条件下的动态压缩测试，并建立相应的热-粘-超弹性本构模型。
　　对聚氨酯弹性体试件进行10-3/s、10-2/s和10-1/s三种低应变率的单轴压缩实验。由应力-应变曲线可知，三种应变率的实验曲线存在一定的相似性，即都包含初始线性阶段、中等应变的非线性转化阶段和大应变条件下的硬化阶段。聚氨酯弹性体在准静态压缩条件下也存在一定的应变率敏感性。采用六种常用超弹性本构模型对实验曲线进行拟合分析，讨论了不同能量密度函数形式对实验曲线表征效果的影响；在六种超弹性本构模型中，“三项式”本构形式具有结构简单、参数少、拟合度高的优点，适合表征聚氨酯弹性体低应变率下的力学性能。
　　采用霍普金森压杆装置对聚氨酯弹性体试件进行恒温条件下的动态压缩测试，获得四种高应变率（3320/s、4460/s、6130/s和7910/s）下材料的应力应变关系曲线，聚氨酯弹性体在高应变率下的压缩曲线表现出高度的非线性和应变率敏感性。而经典的“朱-王-唐”（ZWT）非线性粘弹性本构模型对实验曲线进行分析，发现其对实验曲线的拟合与预测效果并不理想，不适合表征聚氨酯弹性体材料大变形的动态力学性能；为此，文章基于“三项式”形式的超弹性本构方程，采用粘弹性力学的方法，构建了一种简单的、与应变历史无关的、较ZWT本构模型更具实用性的粘-超弹性本构模型。
　　采用配置温度控制装置的霍普金森压杆装置对聚氨酯弹性体进行压缩测试，得到四种温度（283K、308K、333K、353K）下的应力应变曲线。由实验曲线结果表明，动态压缩条件下聚氨酯弹性体的力学行为受温度影响较大。基于新构建的粘-超弹性本构模型，引入温度项的影响，进而得到一种简单的热-粘-超弹性本构形式，从而为聚氨酯弹性体的工程应用提供一定的理论和数据支持。

目录

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第一章 绪论

1.1 聚氨酯弹性体概述

1.2 橡胶类材料力学性能的实验方法

1.3 橡胶类材料本构理论的研究现状

1.4 主要研究内容

第二章 聚氨酯弹性体准静态力学性能及其本构关系的研究

2.1准静态单轴压缩实验

2.2准静态单轴压缩测试结果与分析

2.3常用超弹性本构模型

2.4 连续介质力学基本理论

2.5聚氨酯弹性体本构关系的对比研究

2.6多种超弹性本构的对比分析

2.7 本章小结

第三章 聚氨酯弹性体不同温度条件下动态力学性能及本构关系的研究

3.1霍普金森压杆实验原理

3.2 动态压缩实验

3.3动态本构模型

3.4温度对聚氨酯弹性体力学性能的影响及其本构关系

3.5 本章小结

第四章 全文总结与展望

4.1总结与结论

4.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文学术论文