非线性粘弹体的时间-温度-应力等效原理及其应用

考虑粘弹性材料特征时间的应力相关性 ,认为应力水平与温度、压力、溶剂浓度、损伤以及老化等对材料特征时间的影响相似 ,有其等效性 .依自由体积理论 ,推导了温度 -应力移位因子的表达式 ,提出了时间 -温度 -应力等效原理 .应用此原理 ,可以将不同温度和应力水平下的蠕变曲线移位成某一参考温度和参考应力水平下的主曲线 ,从而可以通过较高温度和应力水平下的短期蠕变行为来预测较低温度和应力水平下的较长期的蠕变行为 .实例分析了高密度聚乙烯 (HDPE)非线性蠕变行为的时间

炭黑-白炭黑双相填料(一种新型橡胶补强剂)——第六部分:炭黑-白炭黑双相填料填充硫化胶动态性能的时间-温度等效原理

研究了炭黑、白炭黑和炭黑-白炭黑双相填料填充硫化胶在宽频、宽温范围内于低应变振幅下的动态性能,如剪切模量、损耗模量和损耗因子,其数据的变化范围宽,得到了羽毛状的假标准曲线,而不是单一的光滑的标准曲线,针对损耗因子,对这种结果做了特别说明,产生这种结果的原因可能是多方面的,其中填料-填料和填料-聚合物相互作用可能是最主要的原因。炭黑-白炭黑双相填料对硫化胶整个动态性能的影响与白炭黑类似:频率较低时,损耗因子较低;频率相对较高时,损耗因子较高。

丁腈橡胶热处理过程的时间-温度-应力等效性

本文研究热处理过程中时间、温度和应力等因素对橡胶材料热处理后断裂伸长率的影响。将不同温度和应力水平下热处理一定时间后的丁腈橡胶进行单轴拉伸实验,并采用断裂伸长率表征热处理程度,研究热处理时间、温度和应力对丁腈橡胶断裂伸长率的影响。采用时间-温度-应力等效原理对实验数据进行分析。结果表明,热处理时间、温度和应力对热处理后橡胶断裂伸长率均有着明显的影响。时间-温度-应力等效原理能够准确描述热处理过程中时间、温度和应力对热处理后橡胶断裂伸长率的影响。

应力对聚丙烯蠕变行为的时间-温度等效性的影响

研究不同应力和温度条件下聚丙烯材料的蠕变行为。试验结果表明，聚丙烯材料的蠕变行为是非线性的。同一应力水平下不同温度的蠕变柔量曲线满足时间-温度等效原理．通过水平移位可以得到光精的蠕变柔量主曲线，移位因子与温度变化成线性关系．但不同应力水平下的时间-温度移位因子是不同的．从蠕变乘量主曲线和温度移位因子可知，应力为16MPa时14—26℃下的短期（1500s）试验数据可以用于预估14℃时长达3d的蠕变性能．

聚氯乙烯动态黏弹性能的时间-温度等效性研究

利用动态力学分析方法对聚氯乙烯的动态黏弹性能展开了研究,根据时间-温度等效原理建立了以55℃为参考温度的聚氯乙烯动态模量主曲线,利用分数阶Zener模型对动态模量主曲线进行了拟合分析。研究结果表明,时间-温度等效原理适用于描述一定温度范围内小应变情况下聚氯乙烯的动态黏弹性力学行为,且分数阶Zener模型能够较好地描述宽频域范围内聚氯乙烯动态模量随频率的变化规律。给出了WLF方程和Arrhenius方程的适用温度范围。

时间-温度-湿度对聚合物基复合材料性能影响研究

根据聚合物基复合材料的粘弹性,认为湿度与温度、应力等因素对材料特征时间的影响相似,具有等效性。依据自由体积膨胀理论,推导了温度-湿度联合位移因子的表达式,提出了时间-温度-湿度等效原理。应用时间-温度-湿度等效原理,提出了构造材料参考温湿度下蠕变主曲线的2种实验路径。

聚对苯二甲酸乙二醇酯的动态黏弹性能

对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)进行不同频率下的温度扫描试验和不同温度下的频率扫描试验,得到PET材料的玻璃化转变温度及动态黏弹性参数随测试温度、频率的变化特性。根据时间-温度等效原理构建出宽广频域的PET动态黏弹性主曲线,得到相应的移位因子,利用WLF方程对温度移位因子进行拟合,拟合结果与试验结果吻合较好。此外,研究表明,PET损耗模量主曲线和损耗因子主曲线均呈现明显的峰值,且峰值两边具有非对称性,因此,引入改进的分数阶Zener模型(mFDZ)对PET的动态黏弹性试验主曲线进行综合分析,通过建立合适的目标函数,基于Matlab平台对mFDZ模型进行参数识别,得到了统一的模型参数值。根据得到模型参数计算的mFDZ模型曲线与PET黏弹性试验主曲线、非对称的Cole-Cole曲线及Wicket曲线均吻合良好,这表明,mFDZ模型能较好地描述PET材料动态黏弹性的非对称性,可适用于描述PET材料在宽广频域内的动态黏弹性能。

高聚物自由体积与温度和应力水平的相关性

高聚物等粘弹性材料力学行为的时间相关性,可采用材料内部时钟或特征时间表征。这个特征时间受多种因素的影响,如温度、物理老化、压力和溶剂浓度、损伤、应力水平或应变水平等。文中考察温度和应力水平对材料特征时间的影响,得到了材料粘度与温度和应力水平的相互关系,进而推导出材料中自由体积分数与温度及应力水平的相互关系式,为拓展时间-温度等效原理和建立时间-温度-应力等效原理提供了理论基础。

基于时间及频率扫描的沥青高低温性能试验研究

采用动态剪切方法对沥青进行时间扫描、频率扫描等试验,对比时间扫描过程预测的车辙因子G*/sinδ与实测车辙因子误差;采用WLF方程对沥青玻璃化转变温度(Tg)进行拟合,并对玻璃化转变温度表征混合料低温性能的适用性进行了分析.结果表明:回归计算的普通石油沥青车辙因子与实测车辙因子相对误差小;石油沥青及简单相态改性沥青的玻璃化转变温度拟合相关程度高,数据稳定,变异性小;复杂相态结构的聚合物改性沥青拟合结果数据离散,平行性差;玻璃化转变温度与混合料低温破坏应变关联程度高.

基于CAM复数模量模型的沥青混合料玻璃态转变温度确定

利用频率扫描试验数据建立沥青混合料在参考温度下的CAM复数模量主曲线方程,通过非线性最小二乘法拟合得到CAM复数模量主曲线模型和WLF方程的参数,再根据CAM复数模量主曲线模型、WLF推导得到沥青混合料玻璃态转变温度计算公式,并通过温度扫描试验测定沥青混合料玻璃态转变温度对计算结果进行验证。结果表明,通过CAM复数模量主曲线模型计算沥青混合料玻璃态转变温度的方法可行,且沥青混合料的玻璃态转变温度随着荷载作用频率的增加而升高。

长期立贮固体发动机药柱变形预估方法研究

目的研究老化与颠振影响下长期立式贮存固体发动机药柱的蠕变特性,基于广义Kelvin模型,构建一种考虑老化和损伤因素的蠕变本构模型。方法通过开展温度与应力加速蠕变试验、高温加速老化试验以及往复拉伸损伤试验,获得老化与损伤对蠕变的影响规律,建立蠕变预测模型,获取模型参数,并将其嵌入有限元软件。结果利用所得蠕变本构模型计算了某型发动机立式贮存15a后药柱蠕变的应力应变,结果表明,考虑老化因素后,发动机药柱的最大等效应力增大了96.84%,最大等效应变减小了4.07%,在同时考虑老化与损伤因素后,最大等效应力增加了82.77%,最大等效应变减小了3.62%。结论对比不同条件下的仿真结果,老化和损伤对发动机蠕变状态的影响较大。使用该模型能够较好地体现出固体发动机药柱的老化硬化和损伤软化。

机-热协同作用下纤维素绝缘纸加速老化实验的等效性研究

为获得循环应力-温度协同作用下绝缘纸加速老化实验的等效性,该文首先基于绝缘纸的三变量模型,推导出绝缘纸的稳态应变。基于时间-温度-应力等效性原理,联合自由体积理论,得到了计及应力频率的修正时间-温度-应力等效性理论。其次,在实验室中开展130℃条件下、4种应力水平和3个应力频率的加速机-热老化实验,并获得了应力水平和频率对绝缘纸抗张强度损失率模型的影响规律。然后,定义了应力-时间平移因子,得到绝缘纸抗张强度损失率主曲线,进一步提出一种平移因子的建立方法。该文结论从理论和实验两方面验证了绝缘纸加速机-热老化实验的等效性,可为绝缘纸加速老化实验与寿命评估提供理论支撑。

BBR试验的沥青低温性能及粘弹性分析

采用低温小梁弯曲试验(BBR)对6种不同种类的沥青低温性能进行评价,利用时间温度等效原理获得了沥青的低温劲度模量主曲线,通过Burgers模型方程对BBR蠕变劲度曲线及其劲度模量主曲线进行拟合.结果表明:沥青的劲度模量衰减速度依赖于温度,温度越高、低温性能越好,劲度模量衰减速度越快,且在蠕变的起始阶段衰减最迅速;Burgers模型方程对BBR蠕变劲度曲线及劲度主曲线均具有较高的拟合程度;蠕变劲度曲线及劲度主曲线在拟合时首尾两端相对误差较大,中间段相对误差小,同时BBR试验劲度度曲线的拟合相对误差明显小于模量主曲线的相对误差.

HTPB推进剂低温断裂性能试验研究

为研究温度和加载速率对HTPB推进剂断裂性能的影响,开展了HTPB推进剂低温断裂韧性试验,测定了不同温度和加载速率下含Ⅰ型裂纹推进剂试件的断裂韧性值,并研究了试件厚度对断裂韧性值的影响。结果表明:随着温度的降低和加载速率的增加,推进剂断裂韧性值逐渐增大,且断裂韧性值与加载速率的对数呈线性关系,温度越低,加载速率的变化对断裂韧性的影响越显著;在常温和-40℃下厚试件的断裂韧性值比薄试件要大,并且低温下这种变化更明显。最后得到了推进剂断裂韧性的二次函数主曲线。

碳纤维复合材料湿热老化加速关系

受环境因素作用,碳纤维增强聚合物基复合材料(Carbon fiber reinforced polymer composities,CFRP)湿热环境下发生性能退化是一个重要的工程问题,而如何通过实验室加速试验再现自然环境对复合材料的老化作用成为解决此问题的关键。基于时间-温度-湿度等效原理,将湿热环境下CFRP粘弹性能的改变作为材料的老化损伤度量,建立不同湿热环境之间当量折算关系,提出加速老化当量折算系数的确定方法。以典型军机结构用CFRP为例,实例计算了材料不同温度、湿度环境下的当量折算系数,根据地面停放环境谱当量折算得到加速试验谱,加速效果令人满意。最后,对比分析了温度与湿度对当量折算系数的影响,结果表明,温度变化对当量折算系数的影响要比湿度变化的影响显著。

非线性粘弹性高分子材料长期蠕变行为的加速测试技术

时间-温度-应力等效原理是时间-温度等效原理的延伸,可用于材料力学行为的加速表征,通过短期实验来预测材料的长期力学性能。针对PMMA试件在不同温度、不同应力水平条件下的蠕变实验,分析PMMA蠕变行为的非线性特性。本文应用时间-温度-应力等效原理,得到相应的温度移位因子、应力移位因子和温度-应力联合移位因子,构建了参考温度和参考应力水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的PMMA短期蠕变实验可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。

沥青路面加铺结构中土工布夹层黏结失效时温特性

针对含土工布夹层的双层沥青混合料试件进行直剪试验,以层间抗剪强度为指标,通过方差分析和多重比较分析了温度和加载速率对土工布夹层黏结失效的影响作用,建立了含土工布夹层试件的层间抗剪强度与温度、加载速率的数学关系,基于时间-温度等效原理确定了层间抗剪强度sigmodial主曲线,并对其时温等效特性进行了验证.结果表明:含土工布夹层试件层间抗剪强度受温度和加载速率显著影响,随温度升高或加载速率下降其值逐渐降低;指数模型对层间抗剪强度拟合效果良好,模型预估值与试验测试值基本吻合.sigmodial主曲线在更宽加载速率范围内表征了层间抗剪强度的变化趋势,黏层油蠕变柔量与层间抗剪强度两力学参量的移位因子一致性验证了土工布夹层黏结失效具有时温等效特性.

双基固体推进剂药柱非线性蠕变特性实验研究

研究了某双基固体推进剂药柱的非线性蠕变性能。依据固体推进剂药柱试件在不同温度、应力水平条件下的蠕变实验,分析其蠕变行为的非线性特性。实验结果表明,其力学性能与时间、温度、应力强烈相关。构建了参考温度20℃和参考应力5 MPa水平条件下的蠕变柔量主曲线。理论和数值计算表明,较高温度和应力水平下的固体推进剂药柱短期蠕变实验,可用于预测其在较低温度和应力水平下的长期蠕变行为。利用5级Prony级数模拟的蠕变柔量函数与实验叠合主曲线能很好吻合。

稻壳/HDPE木塑复合材料蠕变性能的研究

研究了不同温度和不同应力水平条件下,稻壳/HDPE木塑复合材料的短期蠕变性能。研究结果表明,稻壳/HDPE木塑复合材料蠕变性能与温度、应力水平强烈相关,利用时间温度应力等效原理,得到55℃温度条件下的蠕变柔量主曲线。采用十元件力学模型,结果显示十元件模型可以很好地拟合试验得到的蠕变柔量主曲线。

生物可降解材料PLGA的应力松弛性能

针对基于生物可降解材料聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)的热压成型工艺仿真研究中,粘弹性材料模型参数缺乏的问题,通过单轴拉伸应力松弛试验,研究了生物可降解材料PLGA在5种温度状态下的应力松弛性能。基于时间-温度等效原理,平移得到60℃的松弛模量主曲线,并采用广义Maxwell模型对此主曲线进行拟合。结果表明:随着温度的升高,PLGA材料的松弛时间明显缩短,且拟合曲线与原数据误差较小,说明广义Maxwell模型能较理想地模拟PLGA材料的应力松弛行为。这些数据的获得为后续仿真研究提供了参考。