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可溶性聚四氟乙烯复合材料薄板

    (1) 通过可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸试验,研究了其在不同温度及不同拉伸速率下的拉伸应力 – 应变曲线的变化规律,发现可溶性聚四氟乙烯复合材料拉伸性能对温度变化敏感,对拉伸速率变化不敏感,这为进一步研究可溶性聚四氟乙烯复合材料的力学性能提供了试验依据。
    (2) 根据拉伸试验结果,基于DSGZ模型,建立了可溶性聚四氟乙烯复合材料的拉伸本构模型。所建立的拉伸本构模型较好地反映了不同温度和不同拉伸速率对其拉伸性能的影响,为研究建立比较全面的材料模型提供了一定的参考依据。
    (3) 通过对可溶性聚四氟乙烯复合材料单向压缩的有限元模拟和试验对比分析,验证了该模型的正确性。这说明该模型不仅能描述可溶性聚四氟乙烯复合材料受拉时的力学性能,同时也能很好地描述可溶性聚四氟乙烯复合材料受压时的性能。该模型可以作为材料模型用于可溶性聚四氟乙烯复合材料有限元分析,具有一定的通用性。有限元分析及验证由于材料模型是由单轴拉伸试验获得的,因此,该模型可以通过单轴拉伸试验得到准确验证。为了进一步验证该模型是否具有通用性,笔者进行了可溶性聚四氟乙烯复合材料单向压缩试验,并进行了相应的有限元数值模拟。 通过ABAQUS软件,建立两面均匀受压的可溶性聚四氟乙烯复合材料薄板三维有限元模型,可溶性聚四氟乙烯复合材料薄板规格为50 mm×50 mm×1.5 mm,材料模型使用WDSGZ模型。可溶性聚四氟乙烯复合材料薄板压缩量为0.35 mm,计算采用三维线性缩减积分单元。同时,结合有限元模型,进行可溶性聚四氟乙烯复合材料的单向压缩试验。图4为仿真结果与试验结果对比图,下压0.35 mm时,可溶性聚四氟乙烯复合材料薄板上的最大应力为118 MPa。从图4 可以看到,受压后,两者形状变化基本一致。将上述参数代入本构方程,绘出可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸应力 – 应变曲线,与试验所得曲线进行比较,如图3 所示。由图3 可知,笔者提出的本构模型计算结果与实际试验结果相差不大,能够较好地反映可溶性聚四氟乙烯复合材料在单轴拉伸时的力学曲线,故WDSGZ模型可适用于对可溶性聚四氟乙烯复合材料进行力学分析。可溶性聚四氟乙烯是一种典型的高分子材料,其力学性能具有很强的黏弹性行为。建立高聚物黏弹体本构模型的方法主要有唯象性方法和分子论方法。分子论方法通过建立描述高聚物大分子链流动的模型,研究微观结构对宏观运动的影响。唯象性方法则是直接给出高聚物黏弹体在变形过程中应力、应变、应变率和温度等变量间的关系,其中的系数则要通过试验确定。可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸是典型的非线性大变形过程,故采用唯象性方法建立本构模型。美国塔夫茨大学的Y. P. Duan提出了一种能较好描述玻璃态聚合物力学性能的唯象性本构模型——DSGZ模型。通过分析比较DSGZ模型曲线与可溶性聚四氟乙烯复合材料应力- 应变曲线的异同,发现两者除在变形软化区存在较大差异外,其它区域变化基本一致。因此在DSGZ模型的软化区添加因式1/[1-e-εδ(T/n)],建立了可溶性聚四氟乙烯复合材料单轴拉伸本构模型,称之为WDSGZ模型。模型表达式如式(1)、式(2)、式(3) 所示。

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