高聚物动态本构模型研究

The split Hopkinson tension bar (SHTB) is an effective method for investigating the dynamic behavior of materials in tension. For low-strength and low-impedance polymers, tension bar system is modified to ensure measurement accuracy of the transmitted strain signal. The shape of the incident stress pulse is controlled and the matching relation between the specimen size and the input/output bars is given. The validity of one-dimensional experimental principle is demonstrated and the high strain-rate tension testing technique is achieved for soft materials. Based on the modified SHTB technique, tension tests for polyurethane and silicone rubber at high strain rates are carried out and the transient temperature rise during high strain-rate deformation is measured. The effects of strain rate and thermo-mechanical coupling on the tension behavior of polymers are investigated. Visco-elastic-plastic and visco-hyperelastic constitutive models incorporating the strain-rate effect are proposed to describe the tension behavior and deformation mechanism of polymers. The testing and characterization investigation on the rate dependent tension behavior of polymers will provide the reliable experimental data and theoretical foundation for engineering applications of polymers.

分离式霍普金森拉杆（SHTB）是获得材料动态拉伸力学行为的一种有效的测试手段。针对低强度、低波阻抗的聚合物材料，改进冲击拉伸实验系统以保证透射应变的测量精度，控制入射波形并建立试件几何参数与输入/输出杆之间的匹配关系，验证一维测试原理的有效性，实现适合于软材料的高应变率拉伸实验技术；基于上述实验技术，对聚氨酯或硅橡胶等高聚物实施高应变率下的拉伸加载和高速变形过程中的试件瞬态温度变化测量，研究高聚物拉伸力学行为的应变率相关性和热力耦合特性；依据材料的拉伸变形特征，建立计及应变率效应的粘弹塑性或粘超弹性本构模型，以表征高聚物的宏观拉伸力学行为和变形机制。上述高聚物拉伸力学行为应变率相关性的测试和表征研究将为聚合物材料的工程应用提供可靠的实验数据和理论依据。

硅橡胶具有优异的耐高低温性以及良好的弹性性能，作为减震缓冲结构件得到广泛应用。这类构件在其服役过程中可能面临极端温度、高速冲击等加载条件，研究硅橡胶力学性能的温度和应变率相关性对其工程应用具有重要意义。本项目在INSTRON材料试验机和霍普金森拉杆试验装置上对炭黑颗粒填充硅橡胶进行了不同环境温度（223-323K）下的准静态和高应变率（0.001-1400/s）单向拉伸试验。准静态加载下，采用非接触式的自动网格法光学测试技术来准确获得拉伸试件的全场应变信息。实验结果表明，硅橡胶的拉伸行为呈现明显的超弹性特征和温度相关性。硅橡胶的拉伸模量随测试温度的升高而减小。拉伸变形过程中硅橡胶的体积变化很小且与测试温度无关，可以将其近似看作不可压缩材料。高应变率加载下，研究了提高透射波信号信噪比的方法，设计了试件与杆的机械连接方式，确定了试件几何形状和尺寸，建立了不同长细比拉伸试件之间的应变标定关系，实现了针对低强度、低波阻抗材料的高应变率拉伸测试技术。实验结果表明，硅橡胶的拉伸行为呈现明显的应变率相关性，其模量随着应变率的增加而增大，表现出应变率强化特征。对常用的超弹性本构模型进行了考评，为更好地描述硅橡胶在小变形范围内的非线性拉伸力学行为，建立了显含温度的修正Mooney-Rivlin唯象本构模型，较好地表征了硅橡胶的非线性拉伸力学行为及其温度相关性。基于硅橡胶的拉伸力学行为特征，建立了计及温度和应变率影响的粘-超弹性宏观唯象本构模型，较好地描述了硅橡胶拉伸力学行为的温度和应变率相关性。