双向应力状态下黏弹性高聚物的损伤演化与时间-应力等效原理

The time-stress superposition principle (TSSP) can effectively simplify the constitutive models of viscoelastic polymers and provide an important accelerated characterization method for the long-term creep properties . TSSP is of great significance in terms of theoretical derivation and practical applications. However, TSSP is a semi-empirical theory on the basis of lots of experimental data. The lack of a full understanding of TSSP leads to the absence of non-linear viscoelasticity caused by damage, which results in the difference between the obtained viscoelastic master curve and the real long-term creep curve. Besides, the literature studies mainly focus on uniaxial tension/compression under the simple stress state, but the actual components are usually under the three-dimensional or two-dimensional complex stress state. To this end, this project intends to focus on the research of creep damage evolution law of viscoelastic polymer under two-directional stress and the construction of creep damage evolution model. After the verification of the time-stress equivalence under the biaxial stress state, a new TSSP taking damage into consideration will be proposed. And the relevant accelerated characterization methods will be developed and be further perfected by means of the mid- and long-term creep tests. The research results will be important extension of TSSP under the simple stress state, which will provide theoretical support for safety design and service life prediction of viscoelastic polymer components.

时间-应力等效原理（TSSP）能有效简化黏弹性高聚物的本构模型和力学性能测试，在理论推导和实际应用方面，都具有非常重要的意义。然而，TSSP主要是基于大量实验数据上的半经验原理，尚缺乏全面深入的理解。在应用TSSP时，往往没有考虑损伤引起的非线性黏弹性，从而使获得的黏弹性主曲线与实际长期蠕变性能曲线不符；此外，以往研究主要集中在单轴拉伸/压缩的单向应力状态下，但实际的工程构件通常处于双向或三向复杂应力状态。为此，本项目拟重点研究黏弹性高聚物在双向应力状态下的蠕变损伤演化规律，建立蠕变损伤演化模型；探讨黏弹性高聚物在双向应力状态下的时间-应力等效性，建立双向应力状态下含损伤的新的TSSP，发展相应的加速表征方法，并通过中长期双轴蠕变试验进行检验和完善。研究成果将是简单应力状态下TSSP的重要延伸和扩展，为黏弹性高聚物结构的安全设计与服役寿命预报提供理论支持。

高聚物因其优异的力学性能，广泛应用于聚合物压力容器与管道工程、汽车轮胎工业、航空航天及地下防护工程等重要民生和国防领域。时间-应力等效原理(TSSP)能有效简化黏弹性高聚物的本构模型和力学性能测试，在理论推导和实际应用方面，都具有非常重要的意义。以往研究主要集中在单向应力状态，但工程构件通常处于双向或三向复杂应力状态，此外，在应用TSSP时，往往没有考虑损伤引起的非线性黏弹性。本项目主要对高聚物及其复合材料在单、双向应力状态下的黏弹性力学行为进行研究，分析其时间-应力等效性，探讨其损伤特性和失效规律。主要研究内容和研究结果如下：.(1)探讨了高聚物在双轴拉伸下的TSSP。利用有限元法优化设计出中心测试区域应力应变分布均匀的十字型试样，并据此加工试样，对多种高聚物(硅橡胶、炭黑填充橡胶、聚乙烯等)进行不同应力比不同载荷水平下的双轴蠕变试验，获得一系列短期蠕变试验曲线。基于柯西应力和左柯西-格林变形张量，定义一种应力度量和变形度量，采用该应力度量和变形度量，分析高聚物的双轴拉伸蠕变行为，结果表明，高聚物在双向应力状态下的蠕变行为具有应力水平相关性，在一定条件下满足时间-应力等效性，若采用合适的度量，可将短期黏弹性曲线沿对数时间坐标轴移位构建出宽广时域的主曲线；(2)在现有TSSP的基础上，通过引入老化移位率和损伤因子获得了考虑损伤和物理老化的聚甲基丙烯酸甲酯蠕变性能主曲线，并与长期蠕变试验结果进行比较，两者吻合良好；(3) 对PE管材的黏弹性力学行为与失效机理进行研究，综述了慢速裂纹扩展的加速评估方法，并提出一种考虑银纹损伤的裂尖过程区模型；(4)基于撕裂能和数字图像技术对炭黑填充橡胶的裂纹扩展规律进行研究，获得裂纹长度随疲劳周次的变化规律和不同加载阶段的疲劳裂纹轮廓线；(5)对沥青混合料的本构模型进行研究，提出了一种考虑损伤的分数阶非线性黏弹塑性模型。.上述研究结果可为黏弹性结构的安全设计和服役寿命预报提供研究基础和理论支持。