含气固两相夹杂复合材料宏观本构关系的研究

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本文以物理发泡新型工艺成型微孔泡沫塑料为工程背景,对含气固两相夹杂复合材料宏观本构关系进行了研究,初步探讨了气泡内压及其在外载作用下内压的变化对单个气泡变形规律和对整个复合材料宏观拉伸性能的影响。 首先,从实验和理论两个方面研究了具有非线性粘弹性特征的聚丙烯材料的本构关系,提出了能够较好的拟合实验曲线的非线性粘弹性本构模型,并运用“对应材料”的概念,将非线性粘弹性问题进行了线性化处理。 其次,运用增量法,分析了无限大非线性粘弹性基体含单个微气泡复合材料的气泡长大规律,得到了显含内压的增量型气泡变形表达式。根据该式较为详细地探讨了气泡内压、内压变化、Poisson比、椭球度等在单向拉伸和一维应变两种加载方式下,对微气泡长大规律的影响。计算表明气泡内压的变化对其变形影响非常微小,以至可以忽略,而Poisson比、椭球度对气泡变形的影响都与加载方式有关。 运用Eshelby等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场概念,研究了含气固两相夹杂复合材料的宏观本构关系,得到了显含初始应力和内压变化的增量型表达式。通过数值计算,分析了初始应力、加载速率、体积份数、内压变化等在不同加载方式下对宏观本构的影响,计算结果表明:无论是单向拉伸条件下还是一维应变条件下,气泡内压都对复合材料的宏观拉伸性能有所削弱,内压越大,削弱的程度也就越高。气泡体积份数对复合材料的比强度的影响与加载方式有关,在单向拉伸时,其比强度基本不随孔洞体积份数变化;在一维应变时,其比强度随气泡体积份数的增加而单调地下降。 最后,本文还对粒子填充流变材料微孔洞成核进行了探讨,运用能量准则,分析了大气压力对界面脱粘局部临界应力的影响,得到了显含大气压力、粒径和界面粘结能等参量的局部临界应力表达式。文中还导出了基体为标准线性固体时的摘要临界开裂时刻表达式,在此基础上,讨论了当基体为Maxwell体时粒径、界面粘结能、应变速率等参量对局部临界开裂时刻的影响。 本文总体上具有如下两个方面特点,一是所研究的复合材料的基体具非线性粘弹性性质。在以往对复合材料有效性能的研究中,复合材料的基体较多具有线性、弹塑性、非线性弹性或非线性弹塑性,而有关非线性粘弹性这方面的研究工作较少见到相关报道。二是考虑了气泡内压对气泡变形和复合材料性能的影响。在以往的研究中,气泡往往被看作无内压孔洞,因而没有考虑内压的影响。 本文的研究工作,在一定程度上可为低发泡塑料的强韧化设计提供了理论分析依据。
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