两种PP/PA共混高聚物动态大变形本构特性及损伤演化研究

摘要

针对两种不同相容剂的PP/PA共混高聚物材料，分别在Instron液压伺服试验机和SHPB装置上对其进行了准静态和高应变率下非线性粘弹性力学行为和损伤演化的实验研究。本文从三个不同的角度对损伤演化进行了度量和研究。 首先以冲击后试样的模量变化来表征损伤演化，借助于“损伤冻结”的方法来控制总应变，分别得到了其损伤值随应变及应变率变化的曲线。试验表明，共混高聚物的损伤发展存在一个应变阈值（大约在4﹪－6﹪之间）；超过阈值后，损伤值随应变和应变率的升高均有所增加，而前者对损伤发展的影响占有主导地位。试验还证明，112＃（以PP-g-MAH为相容剂）比113＃（以TPE-g为相容剂）的损伤演化更为迅速。说明相容剂TPE-g比相容剂PP-g-MAH能更好地改善PP/PA共混高聚物在冲击载荷下的界面相容性，从而能抑制动态损伤的演化，改善共混物的动态韧性。从实验事实出发，建议了一个损伤分别随应变率和应变的幂函数增长并存在应变阈值的率型演化律，并且应变阈值也是率相关的。 其次，基于ZWT非线性粘弹性模型，并结合遗传算法，分别得到了能有效描述两种不同相容剂的大变形阶段计及损伤的非线性粘弹性本构关系。研究中发现：1）如果采用真实应力与真实应变（对应于Eular坐标），直接可由ZWT本构模型得到与实验很好吻合的结果；2）但如果采用工程应力与工程应变（对应于Lagrange坐标），则需对原ZWT方程的形式进行适当的修正，修正后也能对材料的本构行为进行较好的描述。还发现，由于随着大变形所出现的塑性变形，两种不同相容剂的共混高聚物的大变形机制存在一定的差别，因此用计及损伤的ZWT方程对其能进行有效描述的范围也不一样，对于112＃共混高聚物，由于即使在很大变形的阶段，粘弹性、损伤等特性仍在其本构行为中占据了主导地位，塑性的影响较小，因此我们能在较大的范围内（约24﹪）采用ZWT方程对其进行描述；而对于113＃共混高聚物，由于粘塑性随着其大变形而发展，对本构行为起到了愈来愈不容忽视的影响，而损伤的发展又不如112＃剧烈，因此我们用 ZWT粘弹性模型大约只能在15﹪的应变范围内对其进行有效的描述。 最后，运用BP神经网络技术，预先不作任何本构假定，只根据试验数据，通过不同的输入输出模式对PP/PA共混高聚物在冲击载荷下的本构响应和损伤演化规律等进行了辨识。并对上述三种不同角度得出的损伤演化研究的结果进行了比较和讨论。看来，以SHPB和BP神经网络相结合的方法能在没有本构假定的前提下较客观地给出共混高聚物的损伤演化规律。对于所研究的两种PP/PA共混高聚物，由于损伤演化在其力学行为特别是在冲击载荷下的力学行为的影响程度不同而表现出性能上的较大差异，相比而言，113＃的综合性能更优，因此推荐在高应变率条件下使用。