聚碳酸酯中应变率拉伸力学特性试验研究.pdf

第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13(2 0 2 3)0 5-0 0 4 7-0 3聚碳酸酯中应变率拉伸力学特性试验研究张保山（长沙中联重科环境产业有限公司，湖南长沙4 10 2 17)摘要：对聚碳酸酯板材进行了准静态和中应变率下的单向拉伸试验，结果表明：聚碳酸酯材料在中、低应变率条件下呈现明显的非线性变形特征、应变率强化效应及高速韧性特征。基于试验结果，建立了聚碳酸酯材料在中应变率下的屈服应力一应变率近似关系方程，采用一个非线性弹簧和一个Maxwell体的粘弹性模型分析了聚碳酸酯材料拉伸力学性能的应变率相关性，得到了中应变率下聚碳酸酯材料的本构方程，方程预测结果与试验结果一致性良好，能够为材料设计使用提供有力支撑。关键词：中应变率；聚碳酸酯板材；拉伸性能中图分类号：TB324：T B30 2.3文献标识码：A0引言聚碳酸酯是一种透明的热塑性高分子材料，具有较好的机械强度和优异的抗冲击性能，被广泛应用于汽车、航空、军事工程等领域。由于聚碳酸酯这类非晶聚合物具有突出的应变率敏感特性1，故研究聚碳酸酯材料在动态载荷下的力学行为特性具有较高的工程应用价值。实际应用中聚碳酸酯材料承受中应变率(10-s-110 s-1)动态载荷的情况时有发生，例如飞机的鸟撞事故2，因此有必要研究聚碳酸酯材料中应变率条件下的拉伸力学特性。为此，本文利用MTS809和中应变率试验机对聚碳酸酯板材进行了准静态和中应变率下的单向拉伸试验。1试验装置及方法图1为中应变率材料试验机。动态加载由液压泵站驱动活塞杆5加速至预定速率后使撞块8 与连接器7撞击，连接器7 带动前夹具12 对试件11进行拉伸加载。加载过程中，载荷一时间信号由力传感器9配合自行研制的动态应变仪捕获，位移一时间信号通过在试件上粘贴一定标距的两根光纤配合激光发生器、PSD光敏器件及光敏信号处理器捕获，捕获得到的载荷一时间信号与位移一时间信号由瞬态波形存储器采集并输人计算机进行处理。自行编制程序对载荷一时间曲线及位移一时间曲线进行处理即可得到应力一时间曲线、应变一时间曲线、应力一应变曲线，对应变一时间曲线进行线性拟合即得到试验平均应变率。对聚碳酸酯板材进行试验，试件形状和尺寸如图2所示。为了在更大应变率范围内考察聚碳酸酯材料拉伸力学性能的应变率相关特性,在MTS809材料试验机和中应变率试验机上对试件进行了准静态单向拉伸试验，拉伸试验工况如表1所示。2试验结果与讨论通过试验得到的聚碳酸酯材料在准静态和中应变率条件下的工程应力一应变曲线如图3所示，通过图收稿日期：2 0 2 3-0 1-16；修订日期：2 0 2 3-0 6-17作者简介：张保山（198 7-），男，河南安阳人，高级工程师，硕士，研究方向：固体力学及试验研究。3计算得到真应力一应变曲线，如图4 所示。液压站21一前行程开关；2 一后行程开关；3一前定位器；4 一液压缸；5一活塞杆；6 一后定位器；7 一连接器；8 一撞块；9一力传感器；10一后夹具；11一试件；12 一前夹具图1中应变率材料试验机3062142图2 具聚碳酸酯试件表1拉伸试验工况工况应变率(s-1)10.00120.0130.543.1510632由于中应变率动态加载试验中所选的PSD光敏器件对变形测量范围有限，故图4 所示的各应力一应变曲线中的最大应变值仍未达到材料的最大断裂应变。对高聚物而言，一般认为材料应力一应变曲线中的应力最大值即为材料的屈服应力，屈服应力对应的121110956计算机波形存储器测试设备环境温度()MTS80925中应变率试验机8厨神仪应变光学高动态48应变即为材料的失稳应变。由图4 可知，聚碳酸酯材料在中、低应变率条件下呈现明显的非线性变形特征，且随着应变率的增大屈服应力也显著增大，表现出明显的应变率强化效应；同时随着应变率的增大失稳应变也有增大的趋势，呈现出高速韧性的特征。基于热激活理论的Eyring模型能够表征应变率对屈服应力的影响3，其关系为：2kTsinhV其中：0,为屈服应力；k为玻尔兹曼常数；T为绝对温度V为活化体积；E。为参考激活能；。为参考应变应变率（s-1)80891200图3，不同应变率下工程应力一应变曲线3本构方程由朱兆祥等4 提出的非线性粘弹性本构模型能够较好地描述0 0.0 8 s应变范围内的聚合物力学特性，其由一个非线性弹簧和两个Maxwell体组成，表送式为：=Ee+e+e+E0e1-exp(-)1E202e1-exp(-%(4)02其中：EEiE2和为弹性常数;和z为松弛时间。松弛时间为1和6 2 的两个Maxwell体分别用于描述低应变率和高应变率下的粘弹性响应。中应变率下，0 1与0 2 的量级差可达10 3以上，且松弛时间为1的低频Maxwell体在加载结束前来不及松弛，故低频Maxwell体可以简化成简单的弹性弹簧并人前端多项式中。此外式(4)的三次项对本构模型影响较小，为简化起见，本文最终所采用的本构模型如式（5）所示，其对应的力学本构模型如图6 所示。(5)由于不同应变率下松弛时间6 2 并不相同，故式(5)中2 可表示为应变率的函数2（）。对中应变率下聚碳酸酯材料屈服前真应力一应变曲线分别进行本构拟合得到的结果见表2。拟合结果与试验结果的比较如图7 所示。由图7 可知，本文所建立的本构方程能较好地表征聚碳酸酯板材在中应变率范围内的拉伸应力应变行为。根据陈建康等5的研究成果，松弛时间与应变率之间可以用如下关系式表达：()=Ke8080F6060本构拟合曲线40试验结果00.02 0.04.0.06 0.08 0.10应变(a)应变率为0.5s-1机械工程与自动化率；为真应变率。实际使用中可将式(1)进行简化：+VkT式(2)中除，及外其余均为常数，设2 kT/V=A，E。2kT(一lge)/V=B,则式(2)可以进一步简化为：KTo,Alge+B.(1)以应变率对数为X轴，以屈服应力为Y轴，经线2元性拟合得到屈服应力一对数应变率关系曲线，如图5所示。其中拟合参数A=3.91,B=76.42。应变率（s-1)80816040200.10.20.3工程应变2023年第5期(2)(3)84F680.40图4、不同应变率下真应力一应变曲线其中：K、入为常数。根据表2 的结果，拟合可得K=0.0437，入=一0.9 7 1,拟合曲线如图8 所示。将相关参数代人式(5)中，最终得到中应变率下聚碳酸酯材料的本构方程为：g=350e-4320起+87.18:0 0291一-exp图6 本构方程的力学模型表2 本构方程拟合结果参数拟合结果E(MPa)350(MPa)-4320E2(MPa)199502(0.5)(s)0.08572(3.1)(s)0.014602(10)(s)0.00467(6)02(32)(s)80F60本构拟合曲线4020120试验结果00.02 0.04 0.06 0.08 0.10应变(b）应变率为3.1.s-1图7不同应变率下试验应力一应变结果与本构拟合对比0.10.20.30.40.5真应变本构拟合曲线BdW40试验结果2000.02 0.04 0.06 0.08 0.10应变(c）应变率为10 s-164-3图5屈服应力一对数应变率关系0.0437:0.029E10.00151806000.022 0.04.0.06 0.08 0.10应变(d)应变率为32 s-1-2应变率对数本构拟合曲线试验结果01(7)22023年第5期4结论（1）利用MTS809和中应变率试验机对聚碳酸酯板材进行了准静态和中应变率下的单向拉伸试验。结果表明：聚碳酸酯材料在中、低应变率条件下呈现明显的非线性变形特征、应变率强化效应及高速韧性特征。为预测不同应变率下屈服应力的大小，通过分析计算得到了屈服应力与应变率的近似关系。1.2-1.6-2.0-2.4-2.8-0.40.00.40.81.21.6应变率对数图8 松弛时间一应变率关系拟合曲线Experimental Study on Tensile Mechanical Properties ofPolycarbonate at Medium Strain Rate(Changsha Zoomlion Environmental Industry Co.,Ltd.,Changsha 410217,China)Abstract:The quasi-static and medium strain rate uniaxial tensile tests were carried out on polycarbonate sheets.The results showthat polycarbonate materials show obvious nonlinear deformation characteristics,strain rate strengthening effect and high-speedtoughness characteristics under medium and low strain rates.Based on the test results,an approximate relationship equation betweenyield stress and strain rate of polycarbonate at medium strain rate was established.The strain rate correlation of tensile mechanicalproperties of polycarbonate was analyzed using a nonlinear spring and a viscoelastic model of Maxwell body.The constitutiveequation of polycarbonate at medium strain rate was obtained.The predicted results of the equation were in good agreement with thetest results.It can provide strong support for material design and use.Keywords:medium strain rate;polycarbonate sheet;tensile property(上接第4 6 页）的计算可以优先考虑RNG与SST流模型。0.28上RNG模型0.260.24数0.2 2NK0.2050.180.16Realizable模型0.140.120.10E0.10.20.30.40.5进速比图6，三种流模型下螺旋桨推力系数与试验结果对比3结论基于数值方法，使用三种端流模型来计算螺旋奖的水动力性能，并将结果与试验结果相比较，可以得到以下结论：（1）三种流模型的结果与试验结果相一致，表明三种湍流模型均能用来计算船舶螺旋桨的水动力特性，同时也表明数值方法能够在某种程度上为螺旋桨的设计与优化提供参考。Influence and Analysis of Turbulence Model on Hydrodynamic(1.Zhejiang Zhoushan Yajin Shipbuilding Technology Co.,Ltd.,Zhoushan 316000,China;2.Goodway Marine Technology(Zhejiang Free TradeZone)Co.,Ltd.,Zhoushan 316000,China;3.Yangfan Group Co.,Ltd.,Zhoushan 316000,China)Abstract:To study the hydrodynamic characteristics of propeller under different turbulence models,the RNG k-e,Realizable k-eand k-w SST three turbulence models are selected to analyze the hydrodynamic characteristics of propeller under the three differentturbulence models,and the numerical results are compared with the experimental results.The research results show that the threeturbulence models can be used to calculate the hydrodynamic characteristics of the propeller,but from the analysis of the profilevelocity vector diagram in the calculation domain,it can be seen that the RNG turbulence model can clearly describe the water flowbehind the propeller due to the propeller moves,so the RNG turbulence model can be given priority when studying the wake of thepropeller.Keywords:propeller;turbulence model;hydrodynamic characteristics机械工程与自动化（2）采用一个非线性弹簧和一个Maxwell体构建了松弛时间函数化的中应变率聚碳酸酯材料本构方程，基于该本构方程的应力一应变预测曲线与试验结果一致性良好，说明本文得到的本构方程是合理的。参考文献：1于鹏，姚小虎，张晓晴，等.聚碳酸酯类非晶聚合物力学性能及其本构关系J.力学进展，2 0 16，4 6（1)：14 0-17 8.2谢灿军，童明波，刘富，等.民用飞机平尾前缘鸟撞数值分析及试验验证J.振动与冲击，2 0 15，34(14）：17 2-17 8.3Ward I M.Mechanical properties of solid polymers M.2nd Ed.NewYork:JohnWiley&Sons,1983.4朱兆祥，徐大辛，王礼立.环氧树脂在高应变率下的热黏弹性本构方程和时温等效性J.宁波大学学报（理工版),19 8 8(1):58-6 8.5陈建康，黄筑平，楚海建，等.单向应力条件下松弛时间率相关的非线性粘弹性本构模型J.高分子学报，2 0 0 3(3):414-419.ZHANG Bao-shan（2）通过对螺旋桨表面压力分布与计算域YZ截面速度进行分析，发现三种端流模型条件下螺旋桨表面压力分布保持一致，但是从YZ截面的速度量图SST模型来看，RNG端流模型能够很好地展示螺旋桨尾部的水试验域流动情况，因此在研究螺旋桨尾流时，可以优先考虑RNG湍流模型。参考文献：1陆军，陈万，张玉.基于CFD的螺旋桨水动力性能研究J.声学与电子工程，2 0 18（4）：53-57.2朱文才.仿生船舶螺旋桨特性的数值模拟研究D.大连：大连海事大学，2 0 2 0：18-99.3洪方文，张志荣，刘登成，等.船舶螺旋桨流场及水动力数值分析J.水动力学研究与进展：A辑，2 0 2 0（1）：6 8-7 5.4Funeno I,Nozawa K.Analysis of steady viscous flowaround a highly,skewed propeller J.Journal of theKansai Society of Naval Architects,1999,231:1-6.5吴家鸣，张强.三种CFD方法计算水导管螺旋桨推力特性结果观察.广州航海学院学报，2 0 2 1,2 9(3)：56-6 1.6秦智.水下机器人导管螺旋浆设计与优化D.赣州：江西理工大学，2 0 2 0：2 4-35.7王洪修.单桨船螺旋奖推力计算方法研究G/船舶航泊安全的新经验新技术论文集（下册）.广州：中国航海学会，2 0 0 7:192-197.Characteristics of Ship PropellerLIU Wei-feng,GE Biao,LIN Xian-hui,ZHOU Jian49