[發明專利]一種聚乙烯雙曲線本構模型的構建方法及應用

在審

• 申請號: 202111186262.8
• 申請日: 2021-10-12
• 公開（公告）號: CN113987763A
• 公開（公告）日: 2022-01-28
• 發明（設計）人: 李茂東;楊波;李彥;羅文波;王志剛;鄭佩根
• 申請（專利權）人: 廣州特種承壓設備檢測研究院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F17/13;G06F113/14;G06F119/14
• 代理公司: 廣州駿思知識產權代理有限公司 44425
• 代理人: 吳靜芝

高密度聚乙烯管道受中低壓力作用，其變形速率非常小，由于試驗周期較長和成本較高，很少有試驗室開展極低速率下的應變控制試驗，目前還沒有一個非常可靠的預測模型。本發明公開了一種聚乙烯雙曲線本構模型的構建方法，通過對聚乙烯管材開展在不同應變率下的拉伸試驗，分析其應變率相關的力學行為，并確定材料屈服應力、初始彈性模量和屈服應變與應變率相關性規律，獲得待測聚乙烯屈服應力與應變率的關系式、初始彈性模量與應變率的關系式、失效材料參數以及屈服應力和初始彈性模量表示的屈服應變模型，從而構建反映屈服應力、初始彈性模量和屈服應變與應變率關系的聚乙烯雙曲線本構模型。本發明構思巧妙，節省試驗時間，大大降低測試和試驗成本。

技術領域

本發明涉及雙曲線本構模型構建的技術領域，特別是涉及一種聚乙烯雙曲線本構模型的構建方法及應用。

背景技術

高密度聚乙烯(簡稱HDPE)是一種黏彈塑性材料，目前已在在城市中低壓燃氣輸配管道中得到了廣泛應用。HDPE管道通常受中低壓力作用，其變形速率非常小，管道的長期服役行為和壽命評價備受關注，但目前還沒有非常可靠的統一預測模型。在工程應用中，人們習慣依據試驗標準對材料進行強度測試，并據此對管道進行強度校核，然而由于HDPE等高分子材料具有黏彈塑性，其應力-應變響應與時間或加載速率相關，已有大量研究表明，HDPE等高分子材料的承載強度隨著應變率的降低而降低，對于實際工程的極低應變率情形，直接采用試驗室加載速率條件下的測試結果來評估材料的長期性能是不保守的，因此需進行非常緩慢的應變控制試驗，或者根據試驗室的短期試驗數據來預測極低應變率下的應力-應變行為。由于試驗時長和費用的原因，很少有試驗室開展極低速率下的應變控制試驗，因此有必要基于短期試驗室試驗和有效的本構模型來預測極低應變率下的應力-應變響應。

發明內容

基于此，本發明提供一種聚乙烯雙曲線本構模型的構建方法，通過對聚乙烯燃氣管材開展在不同應變率范圍內的準靜態拉伸試驗，分析其應變率相關的力學行為，通過確定材料屈服應力、初始彈性模量和屈服應變與應變率相關性規律，采用雙曲線本構模型描述其率相關的應力-應變關系，提供一種通過短時間的常應變率拉伸試驗預測極低應變率條件下的屈服強度、初始彈性模量和屈服應變等和拉伸力學性能。

本發明的目的是通過以下技術發明實現的：

一種聚乙烯雙曲線本構模型的構建方法，包括以下步驟：

S1：根據率相關應力-應變雙曲線本構模型，設失效應力其中，R_f為失效材料參數，且R_f1，并設失效應力等于屈服應力，即經過運算和公式推導，獲得通過屈服應力、初始彈性模量和真應力-真應變表示的率相關雙曲線本構模型：

式中，σ_true為真應力，ε_true為真應變，E₀為初始彈性模量，σ_y為屈服應力，為應變率，R_f為失效材料參數；

基于聚乙烯在屈服處的真應力等于屈服應力，即將代入所述通過屈服應力、初始彈性模量和真應力-真應變表示的率相關雙曲線本構模型，得到通過屈服應力和初始彈性模量表示的屈服應變模型：

式中，為屈服應力與應變率的關系式，為初始彈性模量與應變率的冪律關系式，為應變率，R_f為失效材料參數；

對待測聚乙烯在不同應變率下進行拉伸試驗，并通過數據轉換將，獲得不同應變率下的真應力與真應變，然后根據不同應變率下的真應力和真應變，構建所述待測聚乙烯的屈服應力與應變率的關系式；

S2：根據步驟S1獲得的所述通過屈服應力、初始彈性模量和真應力-真應變表示的率相關雙曲線本構模型和步驟S1獲得的所述屈服應力與應變率的關系式，構建所述待測聚乙烯的初始彈性模量與應變率的冪律關系式，并確定所述失效材料參數的值；