加载速率影响系缆合成纤维拉伸力学性能的机理研究

摘要

随着人类对资源的需求量的增大以及陆地、近海资源的枯竭，人们开始向深海进军，因此各国都开始重视深海开采设备的研发。深海开采设备的系泊系统越来越多的采用新型的聚酯缆绳，聚酯缆绳的力学性能就成为设计系泊系统的关键所在。而合成纤维作为聚酯缆绳的最小组成单元的性能成为研究的重点。
　　本文将纤维在拉伸时的温度场简化为一维柱坐标系下的热传导方程进行推导。根据杜哈梅尔积分叠加原理对纤维在拉伸时的温度场进行了推导，得到纤维的温度是加载速率，初始温度，纤维半径，纤维标距的综合函数。以此为基础推导了丙纶纤维在不同应变和不同加载速率下的温度场，得到温度沿纤维半径呈抛物线递减，且应变越大，加载速率越大纤维的温度越高。
　　研究了加载速率对纤维力学性能的影响。发现温度对纤维本构的影响较大，且应力与温度呈现反比例的关系。而纤维的温度受加载速率的影响，在不同的加载速率下的力学性能的不同实质是温度对纤维力学性能的影响。
　　推导出纤维在颈缩阶段的温度场并分析了纤维的力学性能。纤维在进入颈缩阶段后，温度升高的速度较快，且可达到很高的值。纤维在颈缩阶段的应力变化较为剧烈，随着应变的增加纤维的应力也逐渐升高，但是当应力达到一定后，反而开始减小，是因为随着温度的升高，纤维开始软化，当纤维软化到一定阶段时应力开始减小，直至纤维断裂。
　　以颈缩阶段的温度为初值，推导纤维在拉伸断裂后的温度场。研究表明：纤维断裂后的温度场是时间及半径的综合函数，沿半径以抛物线的趋势递减。断裂后，纤维表层温度散发的较快，纤维芯部的温度散发的较慢，因此在表层温度达到室温时纤维芯部的温度还较高，芯部继续收缩给表层一个压力，当压力达到一定程度的时候，表层则发生了褶皱，压力更大时则出现屈曲。加载速率不同则纤维断裂后的温度不同进而断裂后纤维表面的压力不同，纤维的断口形貌也不同。

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第一章 绪论

1.1深海系缆力学性能研究的意义

1.2深海系缆力学性能的研究现状

1.3纤维力学性能的研究现状

1.4本文的研究内容

第二章 系缆纤维力学性能研究基础

2.1深海系泊系统简介

2.2深海系缆材料简介

2.3热传导的理论简介

2.4本章小结

第三章 系缆纤维拉伸时温度场分析

3.1纤维拉伸时的温度场方程的建立

3.2纤维拉伸时的温度场方程的求解

3.3丙纶纤维颈缩前的温度场分析

3.4本章小结

第四章 加载速率影响纤维颈缩前力学性能研究

4.1加载速率对纤维力学性能影响分析

4.2加载速率对丙纶纤维力学性能影响研究

4.3本章小结

第五章 加载速率影响纤维颈缩后力学性能研究

5.1纤维拉伸颈缩阶段的研究分析

5.2纤维断裂后的温度场分析

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2前景展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

附 录