PC和PMMA两种高分子材料拉伸试验和数值模拟研究

论文摘要

本文在SHIMADZU（津岛）试验机上对PC（聚碳酸酯）和PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材料进行了在不同温度和不同应变率下的准静态单向拉伸试验。PC材料的试验温度分别为30℃、60℃、90℃、120℃,拉伸速率为2.5mm/min和7.5mm/min,相应的应变率为0.00033 s-1和0.001 s-1。PMMA材料的试验温度为30℃、45℃、60℃,拉伸速率为1.25mm/min和5mm/min,相应的应变率为0.0002s-1和0.0008s-1。试验结果表明:PC材料和PMMA材料的力学性能具有明显的应变率和温度相关性,当应变率越大时,屈服应力增大,断裂伸长率减小,当温度升高时,屈服应力减小,断裂伸长率增大。且应变率与温度对PC材料和PMMA材料的影响存在时-温等效效应,升高温度的同时增大应变率可以得到相同的应力-应变曲线。通过对试验数据及图像的分析,选取合适的本构模型（DSGZ本构模型）对试验进行数值模拟。首先,通过试验数据确定模型常数,以此得出PC材料和PMMA材料的DSGZ本构方程。为使模型与试验更加符合,对PC材料的DSGZ本构方程进行了改进,及确定了改进后的DSGZ本构方程。其次,运用FORTRAN语言对有限元软件ANSYS进行自定义本构模型的二次开发,即编写PC材料的改进后的DSGZ本构模型和PMMA材料的DSGZ本构模型在ANSYS中的用户材料子程序。并且通过单元拉伸数值模拟试验来验证子程序的可行性。最后,运用已经建立好的材料子程序对PC材料和PMMA材料进行拉伸数值模拟,与试验所得的拉伸应力-应变曲线进行对比,可以看到二者吻合较好,从而更进一步验证子程序的正确性。运用所编好的用户材料子程序对路灯灯罩进行了在环境温度为30℃时不同风载荷作用下的数值模拟,得到了路灯灯罩在不同风速下的最大应力值和最小应力值。通过对路灯灯罩的数值模拟,进一步验证了所编写的材料子程序的实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 PC和PMMA材料力学性能研究现状
• 1.2.1 高分子材料的发展
• 1.2.2 PC材料力学性能的研究现状
• 1.2.3 PMMA材料力学性能的研究现状
• 1.3 粘弹性材料本构关系研究现状
• 1.4 ANSYS软件二次开发研究现状
• 1.5 本文主要工作
• 第2章 材料及ANSYS软件介绍
• 2.1 高分子材料
• 2.1.1 高分子材料的分类
• 2.1.2 高分子材料的拉伸力学性能
• 2.2 聚碳酸酯
• 2.2.1 聚碳酸酯的性能
• 2.2.2 聚碳酸酯的应用
• 2.3 聚甲基丙烯酸甲酯
• 2.3.1 聚甲基丙烯酸甲酯的性能
• 2.3.2 聚甲基丙烯酸甲酯的应用
• 2.4 ANSYS软件介绍
• 2.4.1 ANSYS软件功能及特点
• 2.4.2 ANSYS软件组成模块和分析流程
• 2.5 本章小结
• 第3章 PC和PMMA材料拉伸试验及DSGZ模型参数的确定
• 3.1 试验基本知识
• 3.2 试件加工及设备介绍
• 3.2.1 试件的加工
• 3.2.2 试验设备介绍
• 3.3 PC和PMMA材料拉伸试验设置及结果分析
• 3.4 DSGZ模型的选取及参数的确定
• 3.4.1 DSGZ模型表达式
• 3.4.2 PC和PMMA材料的DSGZ模型参数的确定
• 3.5 本章小结
• 第4章 ANSYS软件中本构方程的二次开发
• 4.1 ANSY软件二次开发功能介绍
• 4.2 模型开发流程
• 4.3 单元拉伸试验在ANSYS中的数值模拟
• 4.4 本章小结
• 第5章 拉伸试验在ANSYS软件中的数值模拟
• 5.1 模型的建立
• 5.2 拉伸试验数值模拟结果分析
• 5.2.1 PMMA材料拉伸试验数值模拟结果分析
• 5.2.2 PC拉伸试验数值模拟结果分析
• 5.3 本章小结
• 第6章 路灯灯罩受风载荷作用下的数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 ANSYS软件中路灯灯罩模型的建立
• 6.3 路灯灯罩受风载荷作用下的数值模拟
• 6.3.1 风速为13m/s时路灯灯罩的应力分析
• 6.3.2 不同风速下路灯灯罩的应力分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢