[发明专利]一种聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的构建方法

说明书

一种聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的构建方法，属于聚合物材料领域，其特征在于：聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的建立过程考虑老化、温度、应力水平和损伤因素；聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的参数求解和模型验证过程考虑老化、温度、应力水平和损伤因素。能够有效反映老化、环境温度和应力水平对蠕变变形过程和损伤行为的影响，进而可对经历不同贮存周期、宽温使用环境和承受不同定载载荷范围的塑料、固体推进剂和炸药等聚合物材料的蠕变变形力学响应进行描述和预测，具有较广的应用范围。

技术领域

本发明属于聚合物材料领域，尤其涉及一种聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的构建方法。

背景技术

通常，由塑料、固体推进剂、炸药等聚合物材料制成的结构件或装备在使用之前会经历不同的贮存周期，而这些聚合物材料内部一般具有大量高分子链，使得该类材料在贮存期间的结构形态与物性随贮存时间而发生改变，即发生物理老化效应，进而影响制成的结构件在实际使用中的性能。其次，塑料、固体推进剂、炸药等聚合物材料具有明显的流变特性，即其力学性能受到时间、温度和应力水平等的显著影响，呈现出粘弹性特性，不同环境温度定载作用下发生的蠕变变形即是该类材料粘弹性属性的主要特征之一。随着定载作用时间延长或应力水平提高，聚合物材料内部可能会发生分子链断裂或微孔隙等细观结构缺陷的形成和扩展，即在材料和结构件内部产生损伤，并不断累积。这种损伤的累积过程会导致塑料、固体推进剂、炸药等聚合物材料在变形时呈现非线性特性，甚至引发最终的断裂失效。

目前，针对不同环境温度定速率拉伸和压缩条件下的聚合物材料变形特性，国内外研究者提出了大量的基于松弛力学响应的非线性粘弹性本构模型构建方法。其中，针对该类材料在变形过程中由于细观结构损伤的产生和累积导致的非线性特性，研究者重点从宏细观角度建立了众多损伤演化函数。为了描述老化效应对固体推进剂、炸药等聚合物材料力学性能的影响，部分研究者提出了采用交联密度、凝胶百分数为表征参量的方法，以及将泊松比等模型参数表征为老化时间函数的方法，但所建本构模型并未有效考虑老化因素对固体推进剂、炸药等聚合物材料大变形时损伤特性的影响，尤其没有考虑多因素耦合对损伤特性的影响。此外，由于聚合物材料的松弛力学响应与蠕变力学响应特性区别明显，因此，基于松弛力学响应建立非线性粘弹性本构模型的方法不一定适用于描述蠕变变形，尤其是出现明显损伤特性时的情况。针对塑料、固体推进剂等聚合物材料的蠕变变形，部分研究者提出了借鉴金属材料蠕变本构模型的方法，以及参考不含损伤的松弛型粘弹性本构模型构建的方法，基于这些方法建立的本构模型均无法有效描述和预测聚合物材料在蠕变变形时发生的损伤特性，也没有充分反映贮存老化效应、环境温度等因素对聚合物材料蠕变变形的影响。因此，在开展由塑料、固体推进剂、炸药等聚合物材料制成的结构件的结构完整性分析时存在较大误差。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种充分考虑多因素影响的聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的构建方法。

本发明所述聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的构建方法，聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的建立过程考虑老化、温度、应力水平和损伤因素；聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的参数求解和模型验证过程考虑老化、温度、应力水平和损伤因素。

进一步，本发明所述聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的构建方法，所述聚合物材料非线性蠕变型粘弹性本构模型的建立过程包括：

考虑老化、温度和应力水平的聚合物材料蠕变型粘弹性本构模型的建立；

基于Boltzmann叠加原理，不考虑其它因素影响的积分蠕变型粘弹性本构模型为：

式中：为不考虑其它因素影响的单轴拉伸加载下的蠕变应变；J₀和ΔJ分别是初始瞬时柔量以及与时间相关的瞬态蠕变柔量；是数值大小为蠕变应力水平的阶跃载荷；t为真实的物理时间；

考虑老化、温度和应力水平的聚合物材料蠕变型粘弹性本构模型为：