一种聚合物损伤演化测试方法及系统与流程

本发明涉及一种聚合物损伤演化测试方法及系统。

背景技术：

高分子聚合物材料由于其优良的耐腐蚀性、延展性、制造维修成本低等优点而被广泛应用于各种工程领域。高分子聚合物的损伤失效过程是其内在孔洞的萌生、增长直到材料失去承载能力。高分子聚合物材料损伤演化的实验测定极具挑战性，一是聚合物材料具有很强的非线性粘弹塑性力学行为，二是聚合物材料内部复杂的三明治分子结构。

现阶段国内外广泛采用的宏观损伤量化方法是通过循环加载卸载测定弹性模量衰减来定量描述损伤演化过程。这种方法已经成功应用到金属、岩石等弹塑性材料，然而高分子聚合物的力学行为有很强的时间相关性和非线性，传统的循环加载卸载方法不适用于高分子聚合物材料。

有限单元法被广泛用于研究工程结构的安全性分析，工程材料的失效破坏分析。cn106126774a的专利文献就公开了一种结构损伤的识别方法，包括：通过有限单元法建立损伤结构的有限元模型，提取结构的固有频率、振型等模型参数，利用损伤结构和计算结构的固有频率残差和模态确保准则构建目标函数。但其显著缺点是：实现比较复杂，并不适用于高分子聚合物材料的损伤测试。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种聚合物损伤演化测试方法，其实现简单，适用于高分子聚合物材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种聚合物损伤演化测试方法，其特征在于，包括。

采用拉伸试验机定量引入高分子聚合物材料损伤；

根据所述损伤测得所述高分子聚合物材料的损伤参数，从而确定损伤演化过程。

本发明的另一目的在于提供一种聚合物损伤演化测试系统，其特征在于，包括。

拉伸试验机，用于定量引入高分子聚合物材料损伤；

控制模块，用于根据所述损伤测得所述高分子聚合物材料的损伤参数，从而确定损伤演化过程。

本发明的有益效果为：

实现简单，包括：采用拉伸试验机定量引入高分子聚合物材料损伤；根据所述损伤测得所述高分子聚合物材料的损伤参数，从而确定损伤演化过程。经济效益高，克服了传统微观损伤测试方法对取样大小范围的限制，不需要依赖高精度、操作复杂、费用高的显微技术。弥补了传统循环加载卸载方法不适用于高分子聚合物的缺陷，采用两步法测得加载阶段弹性模量的变化，依据连续介质损伤力学的概念定量测试聚合物材料完整的损伤演化过程，可用于高分子聚合物材料损伤破坏机理与演化规律研究，可为实验力学及数值模拟等领域聚合物损伤断裂表征与计算机模拟提供可靠的方法支撑。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明的聚合物损伤演化测试方法流程图；

图2是本发明的聚合物损伤演化测试方法试验示意图。

具体实施方式

如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

请参照图1，本发明的聚合物损伤演化测试方法，包括：采用拉伸试验机定量引入高分子聚合物材料损伤；根据所述损伤测得所述高分子聚合物材料的损伤参数，从而确定损伤演化过程。

优选地，所述采用拉伸试验机定量引入高分子聚合物材料损伤包括：在拉伸试验机上对无损聚合物圆棒式样进行恒定速度单轴拉伸试验直到式样断裂。

优选地，根据所述损伤测得所述高分子聚合物材料的损伤参数包括：试验过程中利用径向引伸计测量式样中间位置处的直径变化，根据拉伸试验机记录的力及径向引伸计记录的式样直径变化计算得到真实应力应变曲线，根据所述真实应力应变曲线计算得到无损弹性模量。

优选地，进一步包括：在拉伸试验机上对无损聚合物圆棒式样进行恒定速度单轴拉伸试验直到式样达到指定的预应变值，所述预应变值通过径向引伸计测得的直径变化计算得到。

优选地，进一步包括：将有不同预应变的聚合物式样避光保存三个月，三个月后对具有不同损伤程度的聚合物式样进行第二次单轴拉伸试验，根据真实应力应变曲线计算得到有损弹性模量。

优选地，根据测得的无损弹性模量和有损弹性模量计算损伤参数，从而确定高分子聚合物材料的整个损伤演化过程。

优选地，所述真实应变值达到预应变值时，保持达到预应变值时的位移不变3个小时，进行应力松弛试验。3个小时后，匀速卸载式样，卸载速度控制在0.1mm/min。

优选地，所述第二次单轴拉伸试验的拉伸速度为0.01mm/min。

本发明还提供一种聚合物损伤演化测试系统，包括：拉伸试验机，用于定量引入高分子聚合物材料损伤；控制模块，用于根据所述损伤测得所述高分子聚合物材料的损伤参数，从而确定损伤演化过程。

优选地，所述控制模块包括径向引伸计，用于测量式样中间位置处的直径变化。

如图1与图2所示，本发明的聚合物损伤演化测试方法包括以下步骤：

步骤一，对聚合物圆棒式样进行单轴拉伸试验直到断裂，重复五次，计算测得的平均断裂应变εf。

步骤二，确定式样拉伸的预应变值，εpre＝0.1，0.2，0.3，0.4……εf-0.1。

步骤三，将聚合物圆棒式样以恒定速度拉伸到步骤二的预应变值，每根式样对应一个预应变值。

步骤四，达到预应变值后保持拉伸位移不变3个小时。

步骤五，三个小时后，以恒定速度卸载聚合物式样。

步骤六，重复步骤三至步骤五，直到完成步骤二中确定的所有预应变值。

步骤七，将上述有不同预应变的聚合物圆棒式样避光保存。

步骤八，三个月后，取出式样，进行第二次拉伸试验。

步骤九，安装式样和引伸计，以恒定速度拉伸式样直到式样断裂。

步骤十，获得真实应力应变曲线。

步骤十一，拟合真实应变0-0.1的曲线段。

步骤十二，计算曲线段在应变为0.5％时的斜率，即为损伤弹性模量ed。

步骤十三，根据测得的损伤弹性模量，计算损伤参数d。

作为变形的实施例，本发明的聚合物损伤演化测试方法包括以下步骤：

步骤一，制备高分子聚合物圆棒式样。

步骤二，安装式样和引伸计。将聚合物圆棒式样安装到拉伸试验机上，安装过程中保持加载式样上的外力为零。之后安装径向引伸计测量圆棒式样中间位置拉伸前直径d0，以及拉伸过程中直径d的变化。

步骤三，进行单轴拉伸试验。单轴压缩试验采用轴向位移加载控制，加载速率控制在1mm/min，电液伺服系统可以自动记录轴向力f，径向引伸计可记录式样直径的变化。

步骤四，计算真实应力应变曲线。根据拉伸试验机记录的轴向力f和式样直径d的变化可计算真实应力

真实应变ε可以根据下式计算得到

上式中a0为拉伸前式样横截面面积，a为拉伸过程中任意时刻式样横截面积。式样在断裂时刻的真实应变记为εf。

步骤五，计算无损弹性模量。依据步骤四计算得到的数据绘制真实应力应变曲线，采用五次多项式y＝ax⁵+bx⁴+cx³+dx²+ex+f拟合真实应变在0-0.1的应力应变曲线，式中a,b,c,d,e,f为拟合参数。对上述拟合多项式求一阶导数，并令x＝0.5％，此时求得的y值即为无损弹性模量e0。

步骤六，引入不同程度的预应变值到聚合物式样。首先确定要引入的预应变值为εpre＝0.1，0.2，0.3，0.4……εf-0.1。如图2所示，对聚合物圆棒式样进行单轴拉伸试验，并根据算法(2)时刻记录观测真实应变值，当真实应变值达到预应变值时，保持达到预应变值是的位移不变3个小时，即进行应力松弛试验。3个小时后，匀速卸载式样，卸载速度控制在0.1mm/min。

步骤七，重复步骤六直到所有预应变值被引入到式样。

步骤八，避光保存式样三个月。

步骤九，三个月后，对有不同预应变值的圆棒式样进行第二次拉伸试验，拉伸速度为0.01mm/min，直到式样断裂。

步骤十，同步骤四，计算有损式样的真实应力应变曲线。

步骤十一，同步骤五，计算有损弹性模量ed。

步骤十二，根据测得的无损弹性模量e0和有损弹性模量ed，依据连续介质损伤力学概念根据下式计算损伤变量d

本发明具有突出的实质性特点和显著的进步：

实现简单，包括：采用拉伸试验机定量引入高分子聚合物材料损伤；根据所述损伤测得所述高分子聚合物材料的损伤参数，从而确定损伤演化过程。经济效益高，克服了传统微观损伤测试方法对取样大小范围的限制，不需要依赖高精度、操作复杂、费用高的显微技术。弥补了传统循环加载卸载方法不适用于高分子聚合物的缺陷，采用两步法测得加载阶段弹性模量的变化，依据连续介质损伤力学的概念定量测试聚合物材料完整的损伤演化过程，可用于高分子聚合物材料损伤破坏机理与演化规律研究，可为实验力学及数值模拟等领域聚合物损伤断裂表征与计算机模拟提供可靠的方法支撑。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。