聚合物ABS在对称循环交变应力作用下的应力疲劳性能及缺口敏感性研究

论文摘要

随着材料科学的发展,聚合物材料作为新型的工程材料之一,越来越广泛的应用于工程领域。由聚合物制成的工程构件在交变载荷作用下的疲劳破坏日益显现,成为较为普遍的重要的破坏形式。而目前对聚合物的疲劳性能研究还比较少,远远没有金属材料充分。而聚合物构件往往都带有某种类型的缺口并承受交变载荷,所以研究聚合物缺口试件在交变载荷作用下的疲劳性能,以及缺口对聚合物材料疲劳性能的影响,具有明显的重要意义。本文研究了聚丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）在对称循环交变应力作用下的应力疲劳性能及缺口敏感性。其中的实验研究采用两种方法,一是升降法测定有限疲劳寿命（规定为5×105）的疲劳强度,二是拟合S—N曲线法,即用实验测定不同应力幅值的交变应力作用下的疲劳寿命,并根据测定的数据拟合出应力疲劳公式及其S—N曲线,再由应力疲劳公式计算有限疲劳寿命的疲劳强度。首先应用上述两种方法测定了聚合物ABS有限疲劳寿命的疲劳强度。同时给出了聚合物ABS的三参数应力疲劳公式及其S—N曲线;这两种方法测定的疲劳强度非常接近,误差仅为0.36%。其次用升降法测定了3个不同频率的交变应力作用下的有限疲劳寿命的疲劳强度,用拟合S—N曲线法测定了8个不同频率的交变应力作用下的有限疲劳寿命的疲劳强度。实验结果表明,在实验所涉及的频率范围内,交变应力的频率对聚合物ABS的有限疲劳寿命的疲劳强度没有影响。针对聚合物在交变载荷作用下的缺口敏感性问题,本文用升降法和拟合S—N曲线法测定了聚合物ABS具有七种缺口底部圆弧半径的缺口试件的有限疲劳寿命的疲劳强度。缺口试件的疲劳强度明显小于光滑试件的相应的疲劳强度,缺口对聚合物ABS的疲劳性能有显著影响,这种影响用疲劳缺口系数来表达。根据实验结果计算出的聚合物ABS的这七种缺口试件的疲劳缺口系数在1.40—1.75之间,并且证明了计算疲劳缺口系数的代表性公式—Neuber公式适用于聚合物ABS材料,其中的材料常数a对于聚合物ABS可取为2.5。本文探讨了应用有限元计算软件ANSYS对聚合物ABS缺口试件进行疲劳计算的可行性。对聚合物ABS缺口试件应力疲劳曲线的有限元模拟和疲劳缺口系数的有限元计算设定了计算流程、计算控制和计算步骤。由有限元计算的聚合物ABS的七种缺口试件的有限疲劳寿命的疲劳强度及疲劳缺口系数与相应的实验结果比较,符合程度是比较好的,误差很小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 聚合物的疲劳性能及缺口敏感性研究的意义
• 1.3 国内外关于聚合物的疲劳性能及缺口敏感性研究的现状
• 1.4 本文研究概述
• 第二章 聚合物ABS在对称循环交变应力作用下的应力疲劳公式及其S---N曲线
• 2.1 试验材料
• 2.2 试样制备
• 2.3 试验方案及结果
• 2.3.1 ABS试件在不同应力幅的对称循环交变应力作用下的疲劳寿命
• 2.3.2 用升降法测定ABS的疲劳强度
• 2.4 试验结果分析
• 2.4.1 三参数应力疲劳公式的拟合方法
• 2.4.1.1 常规线性拟合
• 2.4.1.2 三参数应力疲劳公式的拟合方法
• 2.4.2 ABS的应力疲劳公式和应力疲劳曲线
• 2.5 本章小结
• 第三章 聚合物ABS在对称循环交变应力作用下的应力疲劳性能与交变应力频率的关系
• 3.1 试验材料及试样制备
• 3.2 试验方案及结果
• 3.2.1 ABS试件在不同频率不同应力幅的对称循环交变应力作用下的疲劳寿命
• 3.2.2 用升降法测定ABS试件在不同频率交变应力作用下的疲劳强度
• 3.3 试验结果分析
• 3.3.1 ABS在不同频率的对称循环交变应力作用下的应力疲劳公式和应力疲劳曲线
• 3.3.2 ABS的有限疲劳寿命的疲劳强度与交变应力频率的关系
• 3.4 本章小结
• 第四章 聚合物ABS缺口试件在对称循环交变应力作用下的应力疲劳性能和疲劳缺口系数
• 4.1 试验材料及试样制备
• 4.1.1 试验材料及光滑试样的制备
• 4.1.2 缺口试样的制备
• 4.2 试验方案及结果
• 4.2.1 ABS缺口试件在不同应力幅的对称循环交变应力作用下的疲劳寿命
• 4.2.2 用升降法测定ABS缺口试件的疲劳强度
• 4.3 试验结果分析
• 4.3.1 ABS缺口试件在对称循环交变应力作用下的应力疲劳公式和应力疲劳曲线
• 4.3.2 ABS缺口试件两部分疲劳试验结果的比较
• 4.3.3 ABS缺口试件的疲劳缺口系数
• 4.4 本章小结
• 第五章 聚合物ABS缺口试件应力疲劳曲线的有限元模拟和疲劳缺口系数的有限元计算
• 5.1 计算设定和计算步骤
• 5.1.1 直接基于有限元软件ANSYS的计算
• 5.1.2 后续计算---疲劳缺口系数的计算
• 5.2 计算结果
• 5.3 计算结果分析
• 5.3.1 聚合物ABS缺口试件由有限元计算值拟合的应力疲劳公式和应力疲劳曲线
• 5.3.2 疲劳强度的有限元计算值
• 5.3.3 疲劳缺口系数的有限元计算值
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ
• 附录Ⅱ