大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目結(jié)題總結(jié)報(bào)告

1、.湘潭大學(xué)第三批大學(xué)生創(chuàng)新基金研究項(xiàng)目結(jié)題總結(jié)報(bào)告結(jié)題總結(jié)報(bào)告1 項(xiàng)目總體進(jìn)展情況1.1項(xiàng)目研究進(jìn)度2006.062006.09 文獻(xiàn)的檢索與調(diào)研及資料收集；2006.092006.10 方案確定及完成試樣的加工；2006.102007.6 完成大部分主要實(shí)驗(yàn)；2007.62008.2 完成論文形式的研究成果；2008.22008.5 項(xiàng)目總結(jié)及結(jié)題。本項(xiàng)目基本按照總體進(jìn)度進(jìn)行。由于指導(dǎo)老師及主要研究成員多年來一直從事固體多孔材料的理論和實(shí)驗(yàn)研究，掌握了此領(lǐng)域國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，作了大量的前期準(zhǔn)備工作，對(duì)泡沫材料的力學(xué)性能及破壞機(jī)理進(jìn)行了初步的研究，獲得一些初步進(jìn)展和成果。本項(xiàng)目在研究

2、中制定了切實(shí)可行的、詳細(xì)具體的實(shí)施方案，取得了預(yù)期的研究成果。1.2 參加項(xiàng)目的主要研究成員項(xiàng)目主持人： 毛快參加項(xiàng)目人員：伍林1.3 項(xiàng)目的研究內(nèi)容1、選用三種不同密度的發(fā)泡性聚苯乙烯泡沫（EPS），在不同應(yīng)力水平下進(jìn)行單軸壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)。2、在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用求解線黏彈性問題的方法，求出包含密度和應(yīng)力影響的蠕變模型，得出密度和應(yīng)力對(duì)蠕變的影響。2.項(xiàng)目已完成的主要工作（1）完成上述的單軸壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)；（2）在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究泡沫材料的密度和應(yīng)力與壓縮蠕變的相依性。3、項(xiàng)目研究情況3.1 泡沫材料的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀對(duì)泡沫聚合物力學(xué)性能的進(jìn)一步研究有利于改進(jìn)生產(chǎn)制備的技術(shù)；為材料及工程

3、設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參考；還可發(fā)現(xiàn)材料新的性能，進(jìn)一步拓展材料的應(yīng)用范圍。泡沫材料是一個(gè)前沿研究領(lǐng)域，倍受理論界和工程界的廣泛關(guān)注和極大重視。上世紀(jì)90年代至今，更成為研究熱點(diǎn)。較早的理論研究是1963年Gent和Thomas對(duì)泡沫彈性材料力學(xué)性能的研究。非周期蜂窩材料的彈性性能由Sliva 等進(jìn)行了研究。Simon等考察了單胞尺度上的有關(guān)力學(xué)性能(強(qiáng)度、模量)以及細(xì)觀缺陷對(duì)宏觀力學(xué)行為的影響，模擬、討論了孔壁質(zhì)量分布、彎曲和褶皺對(duì)泡沫聚合物剛度、強(qiáng)度的影響。Warren和Kraynik根據(jù)規(guī)則蜂窩結(jié)構(gòu)中胞元周期性重復(fù)排列的特點(diǎn)，得到了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的宏觀等效彈性參數(shù)近似解析解。國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)

4、固體力學(xué)所的盧子興教授對(duì)聚氨酯泡沫聚合物和聚苯乙烯泡沫聚合物作過一系列力學(xué)實(shí)驗(yàn)與理論分析；另外，中國工程物理研究院、東南大學(xué)、西安交大等對(duì)泡沫聚合物都作過一定的研究。關(guān)于泡沫黏彈性能的研究也有一些，如Hart等應(yīng)用時(shí)-溫疊加原理預(yù)測(cè)了聚苯乙烯泡沫塑料的長期壓縮蠕變行為；而Damore等研究了高密度熱固型聚酯泡沫塑料的彎曲蠕變性質(zhì)；Gibson和Ashby等也考慮了相應(yīng)的蠕變問題。而Milte和Ramon研究了泡沫塑料的松弛特性，提出了獲得泡沫塑料松弛曲線的簡單快速的方法。由于在泡沫塑料的使用中經(jīng)常受到動(dòng)態(tài)載荷以及不同溫度環(huán)境的作用，因此需要了解材料在不同應(yīng)變率和不同溫度下的力學(xué)性能。Burch

5、ett較早(1967年)研究了泡沫塑料的應(yīng)變率和溫度效應(yīng)，他針對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料進(jìn)行了5種應(yīng)變率的實(shí)驗(yàn)(5×10-3、5×10-2、5×10-1、5、50s-1)，實(shí)驗(yàn)的溫度范圍是：，泡沫塑料密度為。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，屈服應(yīng)力隨應(yīng)變率增加而增加，隨溫度增加而降低。并且在以下隨應(yīng)變率增加，材料失效模式由流動(dòng)失效類型轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈员ㄐ褪?，而在以上時(shí)，只有流動(dòng)類型失效發(fā)生；這說明溫度對(duì)失效類型的轉(zhuǎn)變起著根本的作用。在此之后，應(yīng)變率效應(yīng)的研究引起人們的重視，相繼發(fā)表了一系列文章討論這一問題。Green 等在較大的應(yīng)變率范圍內(nèi)()實(shí)驗(yàn)研究了聚氨酯泡沫塑料的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能；所

6、用材料包括硬質(zhì)和半硬質(zhì)兩種，最大密度不超過，并且是閉孔的。除聚氨酯泡沫塑料顯示應(yīng)變率效應(yīng)外，他們還得出一些重要結(jié)論：較高密度的材料屈服后存在一個(gè)應(yīng)力降，并且隨應(yīng)變率增加更為明顯。屈服強(qiáng)度與材料密度之間近似滿足拋物線關(guān)系。半硬質(zhì)泡沫塑料在所有應(yīng)變率下可產(chǎn)生很大的均勻壓縮，屈服后幾乎沒有應(yīng)力降。硬質(zhì)泡沫塑料在拉伸下相當(dāng)脆(應(yīng)變不到5)，不存在塑性流動(dòng)，最大應(yīng)力發(fā)生在斷裂處，并且硬質(zhì)泡沫塑料的斷裂應(yīng)力幾乎與應(yīng)變率無關(guān)。半硬質(zhì)泡沫塑料動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線與硬質(zhì)的差別是，應(yīng)變率超過時(shí)，斷裂應(yīng)力快速增加。雖然，Green等由SHPB實(shí)驗(yàn)裝置沒能得到高應(yīng)變率加載下泡沫塑料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，但卻給出高速變形下材料破

7、壞機(jī)理的討論。中應(yīng)變率的壓縮實(shí)驗(yàn)表明，硬質(zhì)泡沫塑料在表現(xiàn)延性和脆性之間有一跳躍。而在高應(yīng)變率加載下，硬質(zhì)泡沫塑料一般以爆炸方式破裂。Rao等專門研究了高應(yīng)變率加載下軟質(zhì)泡沫塑料的力學(xué)行為。他們通過實(shí)驗(yàn)確定了25應(yīng)變下泡沫密度，胞體尺寸、應(yīng)變率和應(yīng)力的關(guān)系；還研究了泡沫塑料試件高度與面積關(guān)系的改變對(duì)泡沫塑料應(yīng)變率性質(zhì)的影響和預(yù)壓縮對(duì)高應(yīng)變率實(shí)驗(yàn)的影響問題。而Melvin和Roberts的實(shí)驗(yàn)研究包括了聚乙烯泡沫、丸狀聚苯泡沫等幾種材料，它們均為閉孔型的，密度為；實(shí)驗(yàn)應(yīng)變率為；他們將應(yīng)力-應(yīng)變曲線分成3種類型（見圖1），其中軟木泡沫、丸狀聚苯泡沫的應(yīng)力-應(yīng)變曲線屬于平臺(tái)型(上面曲線），聚乙烯和乙烯

8、基泡沫屬于強(qiáng)化型（下面曲線），聚氨酯泡沫塑料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線屬于第3種類型，即含有高峰載荷幅值的平臺(tái)型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：軟木是一種有效的能量吸收材料；除乙烯基泡沫外，其它泡沫塑料的性質(zhì)不隨速度的增加而有明顯的增加。圖1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線類型Phillips和Waterman的工作考慮了溫度的效應(yīng)，他們研究了高密度聚氨酯泡沫塑料的模量和屈服性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所用試件溫度低于軟化點(diǎn)的溫度時(shí)，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)兩個(gè)屈服點(diǎn)，第一個(gè)屈服點(diǎn)歸結(jié)為較弱的表面胞體的屈服，第二個(gè)屈服點(diǎn)對(duì)應(yīng)試件整體屈服的開始而且隨溫度增加，模量和屈服點(diǎn)都降低。他們還確定了軟化點(diǎn)的溫度，它隨密度的增加而降低。關(guān)于溫度和應(yīng)變率對(duì)

9、泡沫塑料力學(xué)性質(zhì)的影響，Gibson等把溫度和應(yīng)變率的影響分成兩類：一類是與泡沫塑料基體性質(zhì)有關(guān)的所謂“固有的”溫度及應(yīng)變率效應(yīng)，一類是與胞體內(nèi)流體(如空氣)有關(guān)的溫度和應(yīng)變率效應(yīng)。文中還給出粘彈性響應(yīng)及蠕變等情況下，考慮溫度和應(yīng)變率效應(yīng)的一些實(shí)用公式，這里不再詳述。3.2試驗(yàn)方法本實(shí)驗(yàn)使用的發(fā)泡型聚苯乙烯泡沫塑料材料來自于北京市北泡輕鋼建材有限公司，密度分別是。該壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)以CSS-44020電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)（實(shí)驗(yàn)溫度為10）為平臺(tái)，分別對(duì)三種不同密度（）的EPS進(jìn)行不同應(yīng)力水平（）下的實(shí)驗(yàn)。在CSS-44020電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上，將試件置于上下壓頭間，安裝上引伸計(jì)，通過EDC100數(shù)字控制器

10、選用荷載控制，設(shè)置荷載在4秒內(nèi)迅速達(dá)到預(yù)定的應(yīng)力水平值后保持不變，這時(shí)試件的變形會(huì)隨著時(shí)間的增長而增大，實(shí)驗(yàn)時(shí)間保持2小時(shí)。每種密度的EPS材料在每種應(yīng)力水平下均做三組實(shí)驗(yàn)。所有的蠕變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均通過ORIGIN7.5軟件分析得到應(yīng)變-時(shí)間 ()曲線。實(shí)驗(yàn)尺寸為。3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論3.3.1 EPS壓縮蠕變行為的應(yīng)力水平相依及密度相依圖2是同一密度的EPS分別在三種應(yīng)力水平下的壓縮蠕變曲線，圖3是密度分別為的EPS在同一應(yīng)力水平下的壓縮蠕變曲線。從圖2和圖3我們能夠看到任何一條壓縮蠕變曲線都可分為三個(gè)階段，即瞬時(shí)彈性段，過渡蠕變階段，穩(wěn)態(tài)蠕變階段。EPS在加載瞬時(shí)有一定量的彈性應(yīng)變，瞬時(shí)彈性反

11、應(yīng)的量值及斜率與EPS的密度和應(yīng)力水平有關(guān)。EPS在彈性變形之后出現(xiàn)蠕變速率逐漸減少的過渡蠕變階段，這兩個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間都較短，然后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段，這個(gè)階段持續(xù)的時(shí)間長且蠕變速率變化非常小。圖2可以看到同一密度的EPS的蠕變隨著應(yīng)力的增加而增加，高應(yīng)力下的蠕變比低應(yīng)力水平下的蠕變要大,如圖2（b）中從時(shí)的應(yīng)變 :11 (a) (b) (c) 圖2 同一密度的EPS分別在三種應(yīng)力作用下的壓縮蠕變曲線增加到的，表明蠕變是隨應(yīng)力的增大而增大。由圖3可以看出不同密度的EPS在相同應(yīng)力作用下，其蠕變隨著密度的增加而減小，高密度的蠕變比低密度的蠕變小，如圖3（b）中從時(shí)的應(yīng)變減少到的，表明蠕變是隨密度的

12、增大而減小。 3.3.2 壓縮條件下聚苯乙烯泡沫蠕變本構(gòu)關(guān)系EPS的壓縮蠕變量與材料的應(yīng)力和時(shí)間等存在較為復(fù)雜的關(guān)系，這是因?yàn)橛绊懭渥兊囊蛩睾芏啵渥兊臋C(jī)理復(fù)雜，而且不同溫度和應(yīng)力等條件下的情況亦不同，得出統(tǒng)一的蠕變公式較困難。在蠕變研究中，對(duì)于應(yīng)用于其它材料的蠕變理論主要有：陳化理論、時(shí)間硬化理論、應(yīng)變硬化理論、塑性滯后理論等。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中可以看出，EPS的單軸無側(cè)限壓縮軸向應(yīng)變是由施加荷載初期的初始應(yīng)變和EPS的蠕變應(yīng)變組成的。在黏彈塑性統(tǒng)一本構(gòu)模型中，EPS的壓縮蠕變應(yīng)變可以用彈性元件和黏性元件組成的模型形式來表示，如圖（4）所示。 (a) (b) (c)圖3 不同密度的EPS在同一應(yīng)

13、力作用下的壓縮蠕變曲線圖（4）中的模型(a)可以較好的預(yù)測(cè)短期蠕變過程，但不適用于短期蠕變成果推算長期蠕變量；模型(b)更滿足于EPS的長期蠕變性能，因?yàn)槠漯ば员磉_(dá)式呈斜線逼近方程，表現(xiàn)出了材料的黏塑性。兩種 模型的本構(gòu)方程為 （a） （1） (b） （2）可由下式獲得： （3）式中恒定壓力， 、元件的材料參數(shù)EPS的密度，由于（1）、（2）式中蠕變應(yīng)變參數(shù)確定較困難，因此不適用于工程實(shí)際。所以下面采用求解線黏彈性問題的方法，得到包含應(yīng)力與密度影響的EPS壓縮蠕變模型。圖4 EPS的壓縮蠕變模型（a）彈-黏彈性固體（標(biāo)準(zhǔn)線性體，H-K體）（b）黏彈性體（M-K體）3.3.3. 包含應(yīng)力與密度影

14、響的EPS壓縮蠕變模型的建立該模型的建立過程可表述為：求的EPS立方體的頂面受豎直向下的面力作用一段時(shí)間后的最大位移，如圖（4）所示。其中由于外力遠(yuǎn)大于EPS立方體的自身重力，即（是軸上的體力分量，而軸和軸的體力分量都為零，即），所以在這里不考慮體力的影響。EPS在變形的初始階段表現(xiàn)為很好的彈性形狀，在應(yīng)變較小的情況下（）表現(xiàn)為線彈性行為。上述問題是一個(gè)線黏彈性問題。根據(jù)彈性黏彈性對(duì)應(yīng)原理，可以將這個(gè)黏彈性問題轉(zhuǎn)化為彈性問題。如果該彈性問題有解，則對(duì)此解答進(jìn)行反演變換就得到原黏彈性問題的解。在這里采用的黏彈性模型是標(biāo)準(zhǔn)線形體，即EPS在畸變時(shí)遵循標(biāo)準(zhǔn)線性體模型規(guī)律，并設(shè)K保持常數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)線性體的

15、本構(gòu)方程是 （4）其中： 。為粘度，為松弛時(shí)間，為體積模量，為切變模量。經(jīng)過變換后，彈性常數(shù)置換為： （5）在給定條件下，所求問題的彈性解是 （6）圖4 EPS立方體受力簡圖 圖5標(biāo)準(zhǔn)線形體模型其中為z方向的位移，是面力，是比，是立方體的邊長。是EPS的彈性模量，在已知材料類型的情況下是常數(shù)，且與EPS的密度有密切的相關(guān)性。許多研究表明EPS的彈性模量與密度具有良好的相關(guān)性。在這里我們采用提出的關(guān)系式： （3）而與密度是無關(guān)的，所以需要對(duì)進(jìn)行置換。所以上述問題的彈性解為 （7）式中的彈性常數(shù)可以寫成 （8） 其中，。表示為了保持黏彈性問題和彈性問題的對(duì)應(yīng)關(guān)系，在象平面中的常數(shù)應(yīng)取的值。同時(shí)，原

16、題給定的載荷和EPS的彈性模量應(yīng)置換為 （9） （10）將式（3.7）、（3.8）、（3.9）代入式（3.6），然后進(jìn)行反演，最后得 （11） 其中是函數(shù)。它的定義是且 式中的是含有的任何區(qū)間。而即為EPS的壓縮蠕變的應(yīng)變。（12）式（3.12）就是包含密度和應(yīng)力水平影響的EPS的壓縮蠕變模型。分析（3.12）式可以得到下列的結(jié)論：（1）在加載的豎直壓力的施加瞬間()，EPS立方體立即發(fā)生了明顯的變形，即方向的應(yīng)變（式3.13）。 （13） （14）加載后，隨著時(shí)間的逐漸增加，方向的應(yīng)變逐漸增加但愈來愈緩慢。 （2）當(dāng)加載的壓力保持不變時(shí)，此時(shí)方向的應(yīng)變的隨著EPS材料的密度的增大而減小。（3）當(dāng)EPS材料的密度確定時(shí)，即EPS的彈性模量保持不變，此時(shí)方向的應(yīng)變的隨著加載的壓力的增大而增大。將以上的結(jié)論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，實(shí)驗(yàn)曲線和上述結(jié)論描述的相符。該模型可以定性的描述EPS的壓縮蠕變行為，可以反應(yīng)密度和應(yīng)力水平對(duì)EPS壓縮蠕變的影響。4 項(xiàng)目研究結(jié)論（1）本項(xiàng)目通過完成一系列EPS的壓縮蠕變實(shí)驗(yàn)，得到了壓縮蠕變曲線，并得到密度和應(yīng)力水平對(duì)壓縮蠕變的影響：同一密度的EPS的蠕變隨著應(yīng)力