胶黏剂超弹性理论与试验力学及ABAQUS仿真案例总结.docx

胶黏剂超弹性理论及ABAQUS 仿真案例总结 摘要： 一部胶黏剂固化后呈现的是橡胶这种超弹性状态，对齐固化后的性能研究与计算基本等于橡胶超弹性研究。 框架： 一、超弹性材料本构模型理论 二、橡胶材料力学行为的实验研究 三、基于ABAQUS橡胶材料的工程实例仿真与实验验证方法 四、基于COMSOL胶黏剂 超弹性仿真案例 一、超弹性材料本构模型理论 对于固化后呈现软而韧的胶黏剂，基本可等同于橡胶超弹性材料。 二、 橡胶材料力学行为的实验研究 2.1引言 试验设计与研究是材料设计的关键，主要研究各类配合剂与材料性能，诸如力学性能、功能性能、耐久性及加工性能等之间的相关性，进而从中解析材料组分的品种、类型和用量对橡胶材料性能的影响规律。本章主要是通过对密封件橡胶试样EP7001和EP7118F进行单向拉伸的准静态力学实验，研究分析橡胶的各种力学行为，主要包括橡胶的Mullins效应及其能量损耗、橡胶材料的应力应变行为和起始模量、橡胶材料力学行为的调制应变相关性、橡胶材料变形行为的率相关性以及橡胶材料应力行为的应变历史相关性等。另外，还特别针对9种不同体积含量的N330炭黑填充天然橡胶材料进行了单向拉伸的准静态力学实验，研究分析炭黑的填充对硫化橡胶相关力学行为的影响规律。 2.2橡胶材料试样的制备及实验准备 在试验方法中，拉伸试验是评价力学、机械特性最基本的方法，所以在各国标准中都放在首要位置。拉伸试验时，采用某橡胶制品公司生产的EP7001橡胶、EP7118F橡胶以及天然（NR）橡胶为原材料，所制备试样的形状与尺寸满足国家标准《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》（GB/T528-2009）中“1型”哑铃状试样的要求，试样狭窄部分的标准厚度为2mm。试验在美特斯工业系统（中国）有限公司生产的CMT4104微机控制电子万能试验机上进行，如图2-1所示，其力值和位移精度均为0.5级，大变形传感器选用25mm标距，夹具选用偏心轮夹具PA103A，此夹具特别适用于橡胶材料的拉伸试验，随着拉伸力的增大，夹具钳口对试样的夹持也越来越紧，避免了试样夹持部分的打滑。由于炭黑粒子在橡胶基体中分布不均匀，致使相同工艺条件下制备出来的同一种橡胶的不同试样，其试验结果仍然具有一定程度的离散性，所以，为了消除试验随机因素对结果的影响，每种试验至少重复进行3次，并采用它们的平均结果作为最终试验结果。 图2-1 橡胶的拉伸试验 Fig.2-1 Uniaxial tension test of rubber materials 2.3橡胶材料的Mullins效应及其能量损耗分析 2.3.1橡胶的Mullins效应分析 由于消除Mullins效应前后的橡胶材料其力学行为有着明显的差异，为了研究方便，本文将没有变形历史的橡胶试样称为未调制橡胶，将未调制橡胶在某一给定变形范围内进行反复单向拉伸加卸载的过程称为调制过程，而此过程中的最大应变称为调制应变。未调制橡胶经过某一调制应变下的调制，完全消除了此调制应变下的Mullins效应后，从试验机上取下，让其在自然状态下放置二十小时左右，所得到的橡胶称为此调制应变下的调制橡胶[73]。 如图2-2所示，给出了未调制橡胶EP7001和EP7118F的Mullins效应实验分析图。图中，名义应力和名义应变定义如下：若记试样的试验长度为，原始横截面面积为，拉伸过程中由力传感器测得载荷记为，大变形传感器测得变形量记为，则名义应力t和名义应变e分别为 （2-1） （2-2） （a）EP7001 （b）EP7118F 图2-2 未调制橡胶的循环拉伸加卸载试验曲线 Fig.2-2 Results of cyclic loading and unloading tests for unmodulated rubbers 从图2-2可以看出，橡胶经循环拉伸加卸载，会生成滞后环，其第一次循环时滞后环的面积最大，第二次循环时滞后环的面积小一些，之后依次递减，而且向右移动，往复5~6次以后便趋于稳定；而且，在第一次拉伸到给定伸长时，所需应力最大，第二次拉伸到给定伸长时，应力降低很多，以后逐渐减小，5~6次之后应力也趋于稳定，这一现象就叫应力软化效应或称Mullins效应[2]。产生这种现象的原因可用弹性后效的叠加原理解释：开始由于体系内分子链是非常紊乱的，故内摩擦大，滞后环大，经过几次往复后，分子链的排列趋于定向，以适应往复形变，内摩擦减小，故滞后环面积逐减，直至滞后环面积不变；滞后环逐渐向右移动是由于弹性后效逐次叠加的结果，直至弹性后效不变，达到极限永久变形为止，此时所