有机玻璃在循环载荷下粘性与应变率相关性实验研究

2019-10-12杨海庆赵瑞兰周晓娟

安徽建筑 2019年9期

杨海庆，赵瑞兰，周晓娟

（山西工程技术学院土建系，山西阳泉 045000）

有机玻璃作为一种透明的高分子聚合物，具有较强的粘性特征[1,2]，被广泛应用于工业领域。因有机玻璃常处于振动工况中，故关于其受疲劳载荷作用时的研究较多。门坤发[3]等委托中航工业失效分析中心分析某型直升飞机挡风有机玻璃裂纹形成原因，发现裂纹扩展区源头有清晰可见的化学腐蚀以及较不光滑条纹状区域，推断产生此现象的原因为有机玻璃与骨架用溶剂结合在一起时，溶剂极有可能对本就存在表面缺损的有机玻璃局部进行腐蚀，并制造相应银纹进而在直升机机械振动环境下扩展为宏观裂纹。高宗战[4]等对航空有机玻璃在不同温度范围内进行了疲劳裂纹扩展行为研究，实验结果表明有机玻璃失效发生时的韧性和温度呈现出正相关性。许凤和[5]等认为飞机风挡玻璃常处于大雾或雨水环境中，所以研究了水环境对定向和非定向有机玻璃疲劳裂纹扩展速度的影响，发现水环境可使定向有机玻璃疲劳裂纹更快扩展，对非定向有机玻璃裂纹扩展速度的影响则与前者相反。

本文关于有机玻璃的循环载荷试验与疲劳类似，区别在于循环加卸载并不以研究疲劳寿命为目的，相应的循环次数也只有几次远低于疲劳循环次数。首次加载曲线峰值应力超过了屈服点，而且每次加载目标位移都以等差数列增加，这主要因为应力超过屈服点后材料才会出现明显的塑形变形，应力应变曲线形成的滞回环会相对饱满宽厚，可以更清晰明显对比滞回环特征变量（粘性）随预应变的增加而改变的趋势。

1 实验过程

本文选取圆柱形有机玻璃试样，高h=10mm，横截面直径d=10mm。采用量程为100KN的电子万能实验机对有机玻璃试样进行循环载荷压缩实验。实验分别设置了三种加卸载速率分别为0.6mm/min、6mm/min、60mm/min，根据应变率的定义为应变相对于时间的导数，有：

其中，v为加卸载速度，h为试样高度。根据公式1得到三种应变率分别为10-3s-1、10-2s-1、10-1s-1。

在每种加卸载速率下实验都先加载到位移1.1mm，之后卸载直至力为0，第二次加载位移增加至1.2mm，再卸载直至力为0，像这样连续加卸载七次，最后一次循环加载到位移1.7mm再卸载直至力为0。

2 结果与讨论

根据实验得到每种应变率下的应力应变曲线包括7个滞回环。如图1所示，滞回环由卸载曲线DBC和加载曲线CAD围成，其中，D为卸载曲线和再次加载曲线的交点，C为卸载曲线最低点，过CD中点作垂线，与加卸载曲线相交于A、B两点。CD为滞回环的长轴，AB为滞回环的短轴，滞回环的宽长比计算公式如下：

其中，AB、CD分别为线段AB与线段CD的长度。宽长比越大，梭形滞回环越饱满，表明有机玻璃的粘性越强，反之则表明有机玻璃粘性越差[6]。

图1 滞回环短长轴

为计算三种应变率下各循环周期宽长比，在各应变率下的循环加卸载应力应变曲线中，每次循环滞回环长轴和短轴端点分别取横纵坐标后，便可利用公式（2）计算宽长比，并根据幂指函数（3）对实验数据点进行拟合。

如图2所示，三种应变率下，随着预应变的增加，滞回环的宽长比都逐渐降低，图2中三条曲线分别拟合了在三种应变率下每个循环滞回环宽长比随循环次数增加的变化关系。

在公式3中，a和b为拟合参数。a表示第一次循环滞回环宽长比，b表示滞回环宽长比随循环次数增加而下降的速度。

图2 三种应变率下宽长比随循环次数增加的变化规律

通过拟合得到参数a和b的值，如表1所示。

各应变率下每次循环公式2中拟合参数a、b 表1

如图3所示，拟合参数a随应变率的升高逐渐下降，表明首次循环压缩时试样粘性随着应变率的增大逐渐变弱。而拟合参数b先降低后升高，表明随着应变率的增大，循环压缩试样粘性随循环次数增加而下降的速度随着应变率的升高先下降后上升。

图3 三种应变率下拟合参数a、b变化规律

比较10-3s-1和10-2s-1两个应变率下滞回环宽长比随循环次数增加而下降的速度，发现较低应变率对应的粘性下降速度要略高于较高应变率，这可能是因为较低应变率下首次循环速度较慢，材料内部分子链松弛程度较高[7]，相应的峰值应力较小，在之后的循环中，由于随着循环次数的增加，分子链剩余松弛空间变小，导致随着循环次数的增加，出现了明显的应变硬化，滞回环宽长比下降速度也相对较快，相应的材料粘性也随着循环次数的增加而下降较快。

然而对于应变率为10-1s-1时的循环加卸载，加载速度已高达60mm/min，在首次循环加载过程当中，试样内部大分子链相互缠绕及高速加载，不能及时松弛，故峰值应力较高。因此出现了分子链间较高水平的应力集中现象，导致材料内部微观层面的损伤，较高程度的损伤也致使在之后的循环中，峰值应力明显下降，若只考虑峰值应力的下降，滞回环宽长比似乎可能增大，但粘性下降速度较其他两个应变率更快。这可能是因为较高应变率下加载导致应力集中现象增强，损伤程度更大，造成了弹性应变能快速下降，以致同一滞回环中，在卸载曲线和加载曲线同一应力水平下，应变差随着循环次数增加而快速下降，滞回环也随着循环次数的增加而变得更窄。