聚碳酸酯不同溫度下的棘輪行為實驗及理論模型研究.pdf

1、聚碳酸酯是一種熱塑性非晶態(tài)聚合物材料，由于其具有較高的比強度，耐沖擊，耐腐蝕和透明等優(yōu)良特性，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、建筑和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，聚碳酸酯結(jié)構(gòu)構(gòu)件難免經(jīng)受各種復(fù)雜的循環(huán)載荷作用，并不可避免的工作于不同的環(huán)境溫度中。在這種循環(huán)載荷作用下，聚碳酸酯結(jié)構(gòu)構(gòu)件的失效形式主要有疲勞失效和棘輪效應(yīng)引起的變形過大而失效。棘輪效應(yīng)是指材料在非對稱應(yīng)力循環(huán)作用下在非零平均應(yīng)力方向產(chǎn)生非彈性變形累積的現(xiàn)象。近幾十年來，已經(jīng)有不

2、少學(xué)者對各種材料的棘輪行為進行了大量的研究，特別是對金屬材料棘輪行為的研究已經(jīng)較為廣泛且深入，然而對聚合物材料棘輪行為的研究尚欠系統(tǒng)。目前，已有一些學(xué)者對聚合物材料的棘輪行為進行了研究，但主要集中在室溫單軸應(yīng)力控制循環(huán)下的棘輪行為，對不同溫度下的多軸棘輪行為還少見報道。聚碳酸酯作為一種典型的熱塑性工程塑料，其力學(xué)行為對溫度較為敏感，在較高溫度下其蠕變和棘輪行為會更加明顯，因此有必要對該材料在不同溫度下的棘輪行為進行系統(tǒng)的實驗和理論研究。

3、
　　為了對聚碳酸酯材料不同溫度下的單軸和多軸棘輪行為進行系統(tǒng)的實驗和理論研究，本論文開展了如下研究工作:
　　1.在室溫(23℃)下對聚碳酸酯材料進行了多級加載-卸載-回復(fù)實驗、蠕變-回復(fù)實驗和不同峰值應(yīng)力的拉伸-卸載棘輪實驗，總結(jié)出該材料在室溫下的基本變形特性。然后在四個溫度（即0、30、60和90℃）下對聚碳酸酯材料進行保持峰值應(yīng)力不變而改變谷值應(yīng)力的一系列應(yīng)力控制循環(huán)實驗，揭示了聚碳酸酯材料在拉-拉應(yīng)力控制循環(huán)和拉-

4、壓應(yīng)力控制循環(huán)下棘輪行為明顯不同的現(xiàn)象;通過分析循環(huán)過程中彈性模量的變化揭示了不同工況下聚碳酸酯循環(huán)變形過程中的損傷演化規(guī)律，為后續(xù)耦合損傷的粘彈粘塑性循環(huán)本構(gòu)模型的建立提供了豐富的實驗數(shù)據(jù)。
　　2.在室溫(23℃)下對聚碳酸酯材料進行一系列的純扭應(yīng)力控制循環(huán)實驗和非比例多軸應(yīng)力控制循環(huán)實驗，揭示了加載路徑、應(yīng)力幅值、平均應(yīng)力和加載歷史對聚碳酸酯材料多軸棘輪行為的影響。同時在3個較高溫度（即60、73和87℃）下進行了系統(tǒng)的多軸

5、應(yīng)力控制循環(huán)實驗，揭示了高溫下聚碳酸酯多軸棘輪行為的演化規(guī)律，為后續(xù)本構(gòu)模型建立和驗證提供了豐富的實驗數(shù)據(jù)。
　　3.為了更合理的地描述聚碳酸酯在各種工況下的棘輪行為，在充分分析實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一個耦合損傷的非線性粘彈粘塑性循環(huán)本構(gòu)模型。模型的粘彈性變形部分由基于Schapery非線性粘彈性本構(gòu)模型拓展得到，而粘塑性變形部分則在統(tǒng)一粘塑性框架下引入修正的A-F隨動硬化律并增加了蠕變變形得到。結(jié)合提出的損傷演化律和蠕變律構(gòu)建