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高聚物是比较典型的黏弹性材料,其力学性能依赖于温度、负荷时间、加载速率和应变幅值等条件。其中,温度和时间的影响尤其明显。高聚物及其复合材料正越来越广泛地应用于各种工程结构中。研究高聚物的变形和破坏规律以及结构与性能的关系,一直是材料和力学工作者共同关注和研究的重要问题。
材料的变形过程伴随有能量形式的转化和温度的改变,尤其是在变形速度快,局部变形和畸变程度大的情况下,温度的改变会非常明显。这种形变热效应在高应变率或交变载荷作用下以及裂纹高速扩展过程中更加突出,其绝热温升可达到使材料严重软化乃至失效的程度。所以研究材料变形过程中的热耗散,特别是温度敏感材料变形过程中的能耗具有重要的意义。
本文对高聚物的非线性流变行为、力学性能的温度依赖性以及缺陷演化过程中的形变热效应等若干问题作了较系统的评述,进行了相关的实验研究和理论分析,主要的研究内容概述如下:
1.根据聚合物时间相依的黏弹性机理,着重研究了高聚物黏弹性变形的应力水平相关性,在此基础上,对实验数据进行拟合,得到了各个材料参数,并对几种现有的一维蠕变理论进行了对比分析。
2.对无孔洞和有孔洞ABS试件在不同实验温度下的弹性模量和屈服极限进行了对比,并且拟合出了ABS材料弹性模量随温度的变化规律。
3.通过有限元分析,得到了孔洞周围第一主应力和Mises应力的分布情况,给出了孔洞周围的塑性区边界的表达式,并构造了合理的热源密度函数。
4.考虑材料形变与破坏过程中的热力耦合现象,从不可逆热力学的基本定律出发,给出了形变热效应引起的温度场的控制方程。通过对其进行数值模拟,定量地计算出缺陷演化过程中任一时刻的温度场,研究了热源密度的分布对计算结果的影响。