有机玻璃的一维力学行为研究与分子动力学模拟

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有机玻璃因其透明性好、质量轻、不易碎裂、耐老化以及有良好的机械性能等优点,被广泛应用于航空、建筑、生物医学等各个方面。尤其在航空方面,以其制作的飞机舱盖及舷窗玻璃一直以来受到鸟撞威胁,近年来事故仍时有发生。此外,有机玻璃挡板还可能受到子弹侵彻的考验,同时飞行员逃生需要使用爆炸切割破坏舱盖,因此对其力学性能的研究尤为重要。而对其一维力学本构的研究不仅可以解释一维受力状态下的力学行为,还是三维复合应力的研究基础,对其研究更为重中之重。本文结合近年来对于以有机玻璃为代表的高分子聚合物的研究成果,采用理论、实验与数值模拟相结合的方法,研究了有机玻璃在一维压缩下的粘弹、粘塑性本构模型,以及不同构象或添加增塑剂后的力学性能差别,一方面完善了目前对于有机玻璃力学性能的相关本构关系理论,另一方面探索及推广了分子动力学在有机玻璃力学研究中的应用。具体内容包括:(1)对MDYB-3有机玻璃进行了相同温度、不同应变率下的准静态、动态压缩实验(应变率为0.001s-1~3000s-1),得到材料应力—应变曲线,与最终模态,以研究其应变率效应;(2)修正了多Maxwell模型以更好的描述材料的粘弹性行为,并与ZWT模型、多Maxwell模型拟合结果作对比;(3)修正了Ree-Eyring屈服模型与Cooperative屈服模型以描述定向拉伸对材料屈服行为的影响,并尝试使用Johnson-Cook粘塑性模型描述实验结果;(4)运用分子动力学方法,计算和对比了不同构象有机玻璃及增塑后有机玻璃的玻璃态转化温度与力学常数。研究取得以下五方面的成果:(1)实验结果表明,有机玻璃具有明显的应变率效应,随应变率增大,材料的屈服强度、初始弹性模量均有所增大,此结果与其内部所具有的粘性相关。(2)描述材料粘弹性行为方面,ZWT模型表达式参数少,拟合方便,显得更为灵活简便,而修正多Maxwell模型表达式参数能根据多个应变率状态下的数据进行调整,显得更为准确。(3)描述材料屈服行为方面,修正Ree-Eyring模型稍小于实验结果,修正Cooperative模型比修正Ree-Eyring模型更准确地描述了准静态屈服应力。通过屈服模型与实验对比发现,动态压缩的峰值应力为失效应力,试样在1500s-1以上应变率条件下,未达到屈服应力即已发生破坏。(4)描述屈服后粘塑性行为方面,Johnson-Cook模型拟合单条应力—应变曲线良好,但无法准确描述多条不同应变率下的曲线,即无法描述材料的应变率相关性。(5)分子动力学计算结果方面,间同PMMA的玻璃态转化温度最高,其次为间同PMMA,全同PMMA最小,增塑后PMMA的玻璃态转化温度有所减小。全同PMMA玻璃态转化温度较小是因为其结构内部自由体积较大,表现出更大的韧性。增塑剂有助于降低玻璃态转化温度,且DOP比DBP更有效。计算得到的密度、力学常数与径向分布函数均与文献参考值相近,表明了分子动力学在有机玻璃微观计算的有效性。文章最后总结了目前对于有机玻璃的研究成果,分析了研究中存在的问题与不足,并指出了有机玻璃在力学研究的发展方向。
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