热塑性聚合物有限变形热粘塑-非局部损伤耦合本构理论与算法研究

Thermoplastic polymers such as high density polyethylene (HDPE) have been used to manufacture the liner of IV-type carbon fiber winding composite high-pressure gas cylinder, and their mechanical properties depend on temperature, loading rate and hydrostatic pressure, and their macroscopic damage, plastic softening and performance degradation are represented by failure mechanisms such as microscopic void and crazing. Nowadays, there are few thermo-viscoplastic/nonlocal damage coupled thermodynamic constitutive models of polymer at home and abroad. Based on the research on the actual damage behaviors of materials, this project plans to propose a set of finite-deformation thermo-viscoplasticity/nonlocal damage coupled theoretical model for polymer from the phenomenological thermodynamic perspective, including the finite-deformation thermo-viscoplasticity/nonlocal damage thermodynamic theory framework under the corotational system and a non-associative over-stress thermo-viscoplastic constitutive model by considering factors including the hydrostatic pressure,tension-compression asymmetry and kinematic hardening. A nonlocal finite element algorithm for the thermo-viscoplasticity/damage coupled model is developed, and the tensile and compressive loading/unloading mechanical experiments and finite element analysis of materials are combined to demonstrate the theoretical model, and the methods are developed to identify the damage initiation and the critical damage quantity of materials as well as the damage and plasticity parameters, and the effects of nonlocal averaging on solving mesh sensitivity problems and spurious energy dissipation due to plastic softening are studied, which provide a theoretical support for expounding damage mechanical behaviors of IV-type composite cylinder.

诸如高密度聚乙烯等热塑性聚合物已应用于制备IV型碳纤维缠绕复合材料气瓶的内胆，其塑性力学性能依赖于温度、加载率和静水压力，宏观上损伤、塑性软化和性能退化表征为微观上的孔洞和龟裂等失效机理。目前，国内外考虑聚合物热粘塑/非局部损伤耦合的热动力本构模型还较少。本项目拟在研究材料实际损伤行为的基础上，从唯象热动力角度提出一套聚合物有限变形热粘塑/非局部损伤耦合的理论模型，包括共旋体系下的有限变形热粘塑/非局部损伤热动力理论框架、考虑静水压力、拉压不对称和随动强化等因素的非联合过应力热粘塑本构模型。发展热粘塑/损伤耦合模型的非局部有限元算法，结合材料拉伸、压缩加载/卸载力学性能试验和有限元分析验证理论模型，发展方法辨识材料损伤初始、临界损伤量以及损伤和塑性参数，同时研究非局部平均对于解决塑性软化带来的网格敏感性和伪能量耗散的作用，为阐明IV型复合材料气瓶的损伤力学行为提供理论支撑。

当前，诸如IV复合材料气瓶内胆、风电叶片、深海载人潜水器观察窗等结构对高分子复合材料以及热塑性聚合物应用需求较大。由于热塑性聚合物的失效机理和力学性能比较复杂，为准确和额深入阐明上述结构在复杂载荷环境下的服役性能，必须从理论方法、数值仿真和分析以及非破坏性测试等方面联合开展研究，发展具有创新性的方法和技术，推动高分子聚合物材料在先进能源装备和海洋工程中的应用。以热塑性聚合物为研究材料，上述工程为研究背景，在6个方面取得了创新研究成果；1. 原创性发展了一个有限变形、各向异性非联合（粘）塑性/损伤耦合的热动力本构模型以及在共旋体系框架下应力、应变、内变量、背应力以及二阶、四阶损伤张量更新有限元算法和一致切线模量，发展了基于有限元软件ABAQUS-UMAT的数值计算程序，应用于热塑性聚合物的损伤力学性能分析；2. 基于Gurson孔洞塑性/损伤耦合模型，在国际上原创性地发展了有限变形（共旋体系框架）下非局部积分形式Gurson孔洞/塑性耦合模型隐式、显式有限元算法以及基于ABAQUS-(v)umat, (v)usdfld和(v)uexternaldb的数值程序；3. 综合考虑各种失效模式以及流固耦合效应，建立了全尺寸复合材料风电叶片冲击数值分析模型，其中采用课题组前期发展的复合材料层合板冲击损伤模型预测蒙皮和腹板的损伤演化，采用双线性内聚力模型预测蒙皮/腹板脱胶失效，引入考虑风切变效应和塔影效应的风速模型，基于ABAQUS有限元软件开展了不同风速下、考虑流固耦合作用叶片损伤性能数值分析，获得不同风速下叶片应力、位移、蒙皮和胶接层损伤机理以及流场信息；4. 开展了深海载人潜水器有机玻璃（热塑性聚合物）观察窗结构的循环蠕变性能研究，发展了基于三单元弹簧和粘壶的各向同性和各向异性粘弹/损伤耦合模型以及基于ABAQUS-UMAT的数值程序；5. 发展了复合材料海上风电叶片声发射健康监测技术，包括传感器布置、噪声去除、AE时域频域信号分析，缺陷探测等技术，引入基于各类机器学习算法（主成分分析法；聚类算法，包括逻辑回归、K-mean++、随机森林、梯度提升决策树、支持向量机等）开展叶片损伤模式辨识，且发展了基于深度学习（卷积神经网络等）的复合材料寿命预测模型。发表SCI论文15篇、EI论文5篇，Elsevier出版社英文专著2本(其中1本撰写完待发表）。