聚碳酸酯不同温度下的棘轮行为实验及理论模型研究

摘要

聚碳酸酯是一种热塑性非晶态聚合物材料，由于其具有较高的比强度，耐冲击，耐腐蚀和透明等优良特性，已经广泛应用于汽车、航空航天、建筑和医疗器械等领域。在这些应用中，聚碳酸酯结构构件难免经受各种复杂的循环载荷作用，并不可避免的工作于不同的环境温度中。在这种循环载荷作用下，聚碳酸酯结构构件的失效形式主要有疲劳失效和棘轮效应引起的变形过大而失效。棘轮效应是指材料在非对称应力循环作用下在非零平均应力方向产生非弹性变形累积的现象。近几十年来，已经有不少学者对各种材料的棘轮行为进行了大量的研究，特别是对金属材料棘轮行为的研究已经较为广泛且深入，然而对聚合物材料棘轮行为的研究尚欠系统。目前，已有一些学者对聚合物材料的棘轮行为进行了研究，但主要集中在室温单轴应力控制循环下的棘轮行为，对不同温度下的多轴棘轮行为还少见报道。聚碳酸酯作为一种典型的热塑性工程塑料，其力学行为对温度较为敏感，在较高温度下其蠕变和棘轮行为会更加明显，因此有必要对该材料在不同温度下的棘轮行为进行系统的实验和理论研究。
　　为了对聚碳酸酯材料不同温度下的单轴和多轴棘轮行为进行系统的实验和理论研究，本论文开展了如下研究工作:
　　1.在室温(23℃)下对聚碳酸酯材料进行了多级加载-卸载-回复实验、蠕变-回复实验和不同峰值应力的拉伸-卸载棘轮实验，总结出该材料在室温下的基本变形特性。然后在四个温度（即0、30、60和90℃）下对聚碳酸酯材料进行保持峰值应力不变而改变谷值应力的一系列应力控制循环实验，揭示了聚碳酸酯材料在拉-拉应力控制循环和拉-压应力控制循环下棘轮行为明显不同的现象;通过分析循环过程中弹性模量的变化揭示了不同工况下聚碳酸酯循环变形过程中的损伤演化规律，为后续耦合损伤的粘弹粘塑性循环本构模型的建立提供了丰富的实验数据。
　　2.在室温(23℃)下对聚碳酸酯材料进行一系列的纯扭应力控制循环实验和非比例多轴应力控制循环实验，揭示了加载路径、应力幅值、平均应力和加载历史对聚碳酸酯材料多轴棘轮行为的影响。同时在3个较高温度（即60、73和87℃）下进行了系统的多轴应力控制循环实验，揭示了高温下聚碳酸酯多轴棘轮行为的演化规律，为后续本构模型建立和验证提供了丰富的实验数据。
　　3.为了更合理的地描述聚碳酸酯在各种工况下的棘轮行为，在充分分析实验数据的基础上，提出了一个耦合损伤的非线性粘弹粘塑性循环本构模型。模型的粘弹性变形部分由基于Schapery非线性粘弹性本构模型拓展得到，而粘塑性变形部分则在统一粘塑性框架下引入修正的A-F随动硬化律并增加了蠕变变形得到。结合提出的损伤演化律和蠕变律构建了一个新的耦合损伤粘弹粘塑性循环本构模型。提出的模型能够对聚碳酸酯的单轴和多轴棘轮行为进行很好的模拟和预测。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 研究现状

1．2．1 聚合物材料循环变形行为的实验研究

1．2．2 本构模型研究

1．3 现有研究工作的不足

1．4 本论文的主要研究内容

1．5 本论文的主要创新点

第2章 聚碳酸酯的单轴棘轮行为实验研究

2．1 实验方法和条件

2．2 不同温度下的单轴拉伸实验

2．3 应变控制循环实验

2．4 室温下的多级拉伸-卸载-回复和蠕变-回复实验

2．5 室温下的单轴棘轮变形实验

2．6 不同温度下的单轴棘轮变形实验

2．6．1 应力-应变曲线的演化

2．6．2 谷值应力效应

2．6．3 温度效应

2．6．4 残余应变的演化

2．7 本章小结

第3章 聚碳酸酯的多轴棘轮行为实验研究

3．1 实验方法和条件

3．1．1 室温多轴实验方法

3．1．2 高温多轴实验方法

3．2 单轴拉伸和纯扭实验

3．3 纯扭和多轴应变控制循环实验

3．4 室温下的纯扭蠕变-回复实验

3．5 室温下的剪切棘轮变形实验

3．5．1 应力水平对剪切棘轮变形的影响

3．5．2 加载历史对剪切棘轮变形的影响

3．5．3 剪切棘轮变形的时相关性

3．5 室温下的多轴棘轮变形实验

3．5．1 实验工况设计

3．5．2 加载路径的影响

3．5．2 应力水平的影响

3．5．3 应力率的影响

3．5．4 应力历史的影响

3．6 高温下的多轴循环变形实验

3．6．1 高温多轴棘轮行为

3．6．2 残余应变的演化

3．7 本章小结

第4章 耦合损伤的粘弹粘塑性循环本构模型研究

4．1 损伤变量及其演化规律

4．2 耦合损伤的粘弹粘塑性循环本构模型

4．2．1 本构方程

4．2．2 损伤变量的演化方程

4．2．3 参数的温度相关性

4．2．4 材料参数的确定

4．3 聚碳酸酯单轴棘轮行为的模拟

4．3．1 聚碳酸酯室温单轴变形行为的模拟

4．3．2 聚碳酸酯不同温度的单轴棘轮行为模拟

4．4 聚碳酸酯多轴变形行为的模拟

4．4．1 聚碳酸酯室温下纯扭变形行为的模拟

4．4．2 聚碳酸酯室温下多轴棘轮行为的模拟

4．4．3 聚碳酸酯高温多轴棘轮行为的模拟

4．5 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目及发表的论文