【摘 要】
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超弹性或脆性高分子材料已被广泛应用于工业工程等多个领域,这两类材料均表现出各向同性非线性的力学响应行为。由于数值模拟具有虚拟试验成本较低、操作性强和重复性高等优点,在高分子材料领域受到了广泛关注。其中,利用数值模拟技术对超弹性材料及脆性复合高分子材料进行力学性能分析、数值模型构建及优化具有一定的工程指导意义和实用价值。因此,本文以热塑性聚氨酯弹性体（TPU）及纳米粒子增强环氧树脂基复合材料（EPN
【基金项目】
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国家自然科学基金（51973179,U1805253）；
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超弹性或脆性高分子材料已被广泛应用于工业工程等多个领域,这两类材料均表现出各向同性非线性的力学响应行为。由于数值模拟具有虚拟试验成本较低、操作性强和重复性高等优点,在高分子材料领域受到了广泛关注。其中,利用数值模拟技术对超弹性材料及脆性复合高分子材料进行力学性能分析、数值模型构建及优化具有一定的工程指导意义和实用价值。因此,本文以热塑性聚氨酯弹性体（TPU）及纳米粒子增强环氧树脂基复合材料（EPNC）这两种典型的超弹性材料及脆性复合材料为研究对象,构建各向同性超弹性材料和脆性复合材料的简化模型,对TPU的本构模型和EPNC的损伤破坏模型进行研究,具体研究内容如下:1.采用预聚体法制备了三种不同硬段含量的TPU（硬段含量分别为15.19 wt%、22.54 wt%和38.51 wt%）,采用单轴拉伸测试及SEM断面微观形貌表征等方法研究了力学响应行为,结果表明随着硬段含量的提升,其力学性能发生明显改变,即刚性上升、韧性下降。2.基于一系列超弹性材料的经典应变能密度函数,研究了 TPU的超弹性本构模型,通过Abaqus有限元分析软件将这些模型与实验曲线进行拟合,对比得出了最佳拟合本构模型为广义Mooney-Rivlin模型,并对材料进行了三维建模和有限元分析,得到了设定条件下的应力-应变曲线。3.提出了从力-位移原始实验数据到最简本构模型的“一步”转换算法,获得了三参数的简化本构模型。该简化模型对三组TPU的拟合误差分别为0.95%、0.81%和0.98%。通过将简化模型与有限元分析相结合,准确预测了 TPU在单轴拉伸状态下的力学行为。4.阐述了内聚力模型通过Python编程在Abaqus软件中的嵌入方式,通过三点弯曲实验和数值模拟相结合的方式,系统地探究了硼酸酯改性氮化硼纳米粒子增强环氧树脂基复合材料基体与颗粒膜层之间界面力、颗粒数量以及颗粒膜层厚度对整体力学性能的影响,从模拟的角度给出了纳米粒子的增强机制。
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