超高分子量聚乙烯是一种半晶态热塑性聚合物,由于其具有极低的摩擦系数、较高的比强度以及良好的生物相容性而广泛应用于航空航天、机械工程和生物医用等领域。这些具有一定承载功能的结构构件和生物医用人体植入件在实际服役过程中大都要承受循环荷载的作用,循环加载过程中变形的累积会导致结构构件不能正常服役或疲劳寿命的减少,这在结构构件及医用植入件的设计中要给予重点考虑。近几十年来,国内外学者对聚合物材料开展了广泛的循环变形实验和理论研究。然而,大多数实验研究主要关注聚合物的单轴循环变形行为,对非比例多轴循环变形行为研究较少,同时未见结晶度对聚合物循环变形行为影响的报道。由于实验研究不够系统,同时也未能揭示结晶度对循环变形行为的影响,因此,现有的本构模型都有各自的局限性,不能对半晶态聚合物材料的循环变形行为进行合理的描述。为此,有必要对不同结晶度超高分子量聚乙烯开展不同温度下系统的单轴和多轴循环变形实验,揭示超高分子量聚乙烯循环软/硬化特性以及棘轮行为的时间相关性、非比例多轴加载路径依赖性和温度依赖性,研究其热耗散形成机制、内部热效应与外部热交换之间的关系以及结晶度对循环变形行为的影响,进而建立考虑结晶度影响的超高分子量聚乙烯的热-力耦合粘弹-粘塑性本构模型。针对不同结晶度超高分子量聚乙烯不同温度下的单轴和多轴循环变形行为系统的实验和理论研究,本论文开展了以下工作:1、对不同结晶度超高分子量聚乙烯开展了不同加载模式、加载水平、加载速率、峰/谷值应力保持时间、温度的单轴和非比例多轴循环变形实验,讨论了结晶度和上述各种因素对超高分子量聚乙烯循环软/硬化特性以及棘轮行为的影响,揭示了循环变形过程中热耗散形成机制及温升与循环变形的耦合关系,为后续超高分子量聚乙烯的热-力耦合本构模型构建提供了重要的实验基础。2、基于实验研究成果,首先构建了超高分子量聚乙烯的粘弹-粘塑性本构模型。在新构建的本构模型中,粘弹性部分采用改进的Schapery非线性粘弹性模型来表征;粘塑性部分包含循环粘塑性和蠕变塑性变形两部分,其中循环粘塑性部分采用改进的Armstrong-Frederick随动硬化模型,而蠕变塑性变形采用幂律形式的蠕变演化方程来描述;同时,引入与加载路径相关的非比例度和与结晶度相关的演化方程。通过与实验结果的比较,验证了新构建本构模型在预测室温下不同结晶度超高分子量聚乙烯的单轴和非比例多轴棘轮行为方面的合理性。3、在上述粘弹-粘塑性本构模型的基础上,进一步考虑循环变形过程中的热耗散形成机制以及内部热效应与外部热交换之间的关系,同时引入与温度相关的演化方程,建立了超高分子量聚乙烯的热-力耦合粘弹-粘塑性本构模型。与实验结果的对比表明,所构建的热-力耦合本构模型对不同结晶度超高分子量聚乙烯的热-力耦合循环变形行为及其温度演化进行了合理的描述和预测。