一种聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法及系统与流程

本发明涉及一种聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法及系统。

背景技术：

聚乙烯(pe)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用于制造排水和燃气管道。根据美国运输部管道和危险材料安全管理局的统计，2017年美国新安装的燃气管道90％以上是由pe材料制成的，产生了巨大的经济社会效益，同时也面临着一系列严重的安全问题，由于材料缺陷、第三方损伤以及管道基础移动等原因，pe管道的失效破坏甚至爆炸等特大事故时有发生。

基于连续介质损伤模型的有限单元法是研究材料失效破坏、剩余寿命的有效手段。损伤变量的定义和损伤本构关系的建立依赖于描述损伤状态和虚构无损状态力学等价性的损伤力学假设。现阶段广泛采用的基本假设主要有以下两种：应变等效性假设和能量等效性假设。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，并不适用于聚乙烯(pe)材料的损伤测试。现存的各种损伤模型所依赖的理想无损状态下的应力-应变关系都是主观假定的，目前只有对混凝土材料在理想无损状态下应力应变关系的实验测量方法，该实验方法成功实现的一个前提是混凝土材料在拉伸和压缩条件下的应力应变关系近似相同。但是对pe材料，其拉伸和压缩条件下的应力应变关系有很大差异性，因此现存的方法不能直接用于测量pe材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法，其实现简单，适用于pe材料。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法，其特征在于，包括。

采用拉伸试验机定量引入聚乙烯材料损伤；

根据所述损伤测得所述聚乙烯材料的损伤参数，从而确定在理想无损状态下的有效应力。

本发明的另一目的在于提供一种聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试系统，其特征在于，包括。

拉伸试验机，用于定量引入聚乙烯材料损伤；

控制模块，用于根据所述损伤测得所述聚乙烯材料的损伤参数，从而确定在理想无损状态下的有效应力。

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聚乙烯材料损伤；根据所述损伤测得所述聚乙烯材料的损伤参数，从而确定在理想无损状态下的有效应力。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。弥补了传统方法不适用于聚乙烯的缺陷，采特别适用于聚乙烯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乙烯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是本发明的聚乙烯圆棒式样结构示意图；

图2是本发明的聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试安装示意图；

图3是本发明的聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法的试验示意图；

图4是本发明的聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法流程图。

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至图4，本发明的聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法，包括：采用拉伸试验机定量引入聚乙烯材料损伤；根据所述损伤测得所述聚乙烯材料的损伤参数，从而确定在理想无损状态下的有效应力。

优选地，所述采用拉伸试验机定量引入聚乙烯材料损伤包括：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。

优选地，根据所述损伤测得所述聚乙烯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拉伸速度和准静态应力。

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：将有不同准静态应力与拉伸速度的聚合物式样进行真实应力应变曲线拟合，根据真实应力应变曲线计算得到聚合物式样在理想无损状态下的有效应力。

优选地，所述单轴拉伸试验的拉伸速度为0.01mm/min。

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。

本发明还提供一种聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试系统，其特征在于，包括：拉伸试验机，用于定量引入聚乙烯材料损伤；控制模块，用于根据所述损伤测得所述聚乙烯材料的损伤参数，从而确定在理想无损状态下的有效应力。

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，本发明的聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法包括以下步骤：

步骤一，安装pe圆棒式样到拉伸试验机，用拉伸试验机自带的夹具固定好式样的上下两端，安装电子引伸计，测量并记录圆棒式样中间位置的直径值d，记录实验开始前圆棒式样直径d0。

步骤二，启动拉伸试验机以速度v1匀速拉伸pe式样，拉伸试验机记录力f，电子引伸计记录直径d，pe式样拉伸过程中应变ε计算算法如下

应力计算算法如下

步骤三，将pe圆棒式样以恒定速度v1拉伸到指定应变值ε1，此时对应的式样直径为

拉伸过程中观察电子引伸计，当式样直径减小到d1(根据算法(3)，此时对应应变值为ε1)时，控制拉伸试验机保持上下夹具位移不变3个小时。

步骤四，此时pe式样进入应力松弛阶段，应力σ可依据下面算法(2)计算得到。

步骤五，pe式样在应力松弛阶段的应力衰减根据下式计算

δσ＝σr(0)-σr(t)(4)

算法(4)中σr'(0)为应力松弛开始时，即t＝0时的应力值，σr(t)为任意时刻t对应的应力值。

步骤六，采用算法(4)拟合步骤五中实验测得的应力衰减-时间曲线

算法中σr'(0)，σ0和τr为可调参数，采用最小二乘法调整σr'(0)，σ0和τr的值直到算法(5)中的理论模型可以拟合实验数据。

步骤七，能够最大程度拟合实验数据的σr'(0)即为pe材料在拉伸速度为v1，应变ε1的粘性应力。

步骤八，计算拉伸速度v1，应变ε1对应的准静态应力σ1

σ1＝σr(0)-σr'(0)(6)

步骤九，3个小时应力松弛实验后卸载上述圆棒式样。

步骤十，安装一根新的pe圆棒式样，重复步骤二至步骤九，更改步骤四中的拉伸速度为v2，得到拉伸速度v2，应变ε1对应的准静态应力σ2。

步骤十一，采用步骤十的方法可以依次得到拉伸速度为v3，v4和v5对应的准静态应力σ3，σ4和σ5。

步骤十二，这样得到五组准静态应力与拉伸速度的数据，采用多项式y＝ax⁵+bx⁴+cx³+dx²+ex+f拟合以上5个数据点。

步骤十三，计算有效应力：x＝0时对应的y值即为pe材料在应变为ε1时的理想无损状态下的有效应力。

步骤十四，更改步骤三中的指定应变值，重复步骤一至步骤十三即可测得其他应变值对应的理想无损状态下的有效应力。

作为变形的实施例，本发明的聚乙烯在理想无损状态下有效应力的测试方法包括以下步骤：

步骤一，如图1所示，实验开始前测量pe圆棒式样直径d0＝10mm和长度l0＝150mm。

步骤二，如图2所示，将pe圆棒式样2安装在拉伸试验机的上夹具101和下夹具102之间，上下夹具之间的距离l0＝70mm，安装电子引伸计3测量pe圆棒式样在实验过程中的直径变化。

步骤三，根据算法(3)计算应变ε＝0.1对应的直径为9.5mm。

步骤四，启动万能拉伸试验机以0.01mm/min的拉伸速度匀速拉伸pe圆棒式样，根据步骤三计算的结果，当电子引伸计测量的式样直径降低到9.5mm时，停止拉伸，保持拉伸试验机上下夹具的位移不变3个小时。

步骤五，此时pe式样进入应力松弛阶段，在应力松弛开始时，即t＝0时拉伸试验机记录的力值为1200n，根据算法(2)可以计算应力松弛最初的应力值σr(0)为16.9mpa。

步骤六，根据算法(4)计算pe式样在应力松弛阶段应力衰减δσ与时间t的关系。

步骤七，采用算法(5)拟合步骤六得到的δσ-t实验曲线，得到粘性应力σr'(0)为2.5mpa。

步骤八，根据算法(6)计算拉伸速度v1为0.01mm/min，应变ε＝0.1的准静态应力σ1为14.4mpa。

步骤九，更改步骤四中的拉伸速度v2为0.1mm/min，重复步骤一至步骤八，测量拉伸速度为0.1mm/min的准静态应力σ2。

步骤十，更改步骤四中的拉伸速度v3为1mm/min，重复步骤一至步骤八，测量拉伸速度为0.1mm/min的准静态应力σ3。

步骤十一，更改步骤中的拉伸速度v4为10mm/min，重复步骤一至步骤八，测量拉伸速度为0.1mm/min的准静态应力σ4。

步骤十二，更改步骤中的拉伸速度v5为100mm/min，重复步骤一至步骤八，测量拉伸速度为0.1mm/min的准静态应力σ5。

步骤十三，得到五组数据点，(σ1,v1)，(σ2,v2)，(σ3,v3)，(σ4,v4)，(σ5,v5)，如图3所示，用五次多项式y＝ax⁵+bx⁴+cx³+dx²+ex+f拟合以上五个数据点，得到多项式中的参数a,b,c,d,e,f。

步骤十四，当步骤十三中x＝0时对应的y值即为pe材料在应变ε＝0.1的理想无损状态下的有效应力。

步骤十五，更改步骤三中的应变值，重复步骤一至步骤十四即可求得其他应变对应的理想无损状态下的有效应力。

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聚乙烯材料损伤；根据所述损伤测得所述聚乙烯材料的损伤参数，从而确定在理想无损状态下的有效应力。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。弥补了传统方法不适用于聚乙烯的缺陷，采特别适用于聚乙烯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乙烯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。