聚丙烯材料拉伸失效过程瞬态仿真与分析

皮浩，石艳

（四川轻化工大学 机械工程学院，四川 自贡 643000）

关键字：聚丙乙烯；高分子拉伸失效；瞬态分析；有限元分析

在现代工程技术领域中，聚丙烯因其优良的性能、廉价的成本，常制成容器、管材和各种机械零部件，使用量逐年增加。因此，有必要对它的性能进行严格的测试和确认，以表征材料的性质和状态［1］。但是，聚丙烯这类高分子材料具有微观、细观和宏观层次的特征，导致与之相对应的强度及破坏行为比较复杂，不仅涉及材料学、固体力学、化学和物理学等学科领域，还具有多种学科互相渗透的特点［2-3］。总的说来，分析难度较大，常不能很好的预估聚丙烯这类高分子材料的使用年限和剩余寿命。

国内对聚丙烯这类高分子材料失效过程的研究重点，多集中在失效机理的分析上。兰州交通大学的王军玺等［4］人做了 “大体积混凝土温度场仿真分析在ANSYS上的实现”，实现了大型工程问题分析过程参数化，具有借鉴意义。南京理工大学的梁亮伟等人对低温注塑进行了相关的研究，提出了仿真与实验存在误差主要是边界条件难以精确确定这一观点［6］。国外复合泡沫塑料领域力学行为是其研究的热点［5］，对于高分子材料失效的仿真研究较少，常以直接实验的方式测试材料性能。研究方向大多集中在如何合成优质材料上［6-8］。总的说来，学界对聚丙烯这类高分子的失效过程的理论研究比较丰富，对失效过程仿真研究相对偏少，研究成果也仅限于高质量材料的发现与制备方面。

本文参照拉伸实验得到的位移与时间等参数指标，通过有限元瞬态分析法，调试载荷步仿真拉伸失效过程。使用拉伸试验机，在不同拉伸速率下，分别测试聚丙烯试件拉伸失效过程。建立试件物理模型和体单元数值模型，研究拉伸速率、单元类型、网格密度对拉伸失效过程仿真效果的影响。并分析了60mm／min时，实验组与仿真结果组出现差异的原因。

1 有限元仿真研究

1.1 建立试件物理模型

以命令流的方式建立了物理模型模型，模型尺寸参考 《塑料拉伸标准2006》。以代码方式建立的模型兼容性更好。本次实验试件选用典型的高分子材料，聚丙烯。试件全新无磨损。其性能参数如表1所示。

表1 聚丙烯试件性能参数

1.2 网格划分

定义单元格类型为结构单元SOLID226。SOLID226是三维单元格，满足应力应变以及温度场的耦合分析。采用智能网格划分，以sweep的方式完成，生成了六面体网格。对1mm、1.5mm、2.5mm、3mm尺寸的仿真对比后，得出2.5mm在满足精度要求下，计算时间最优，且计算机不会受到过高的负载，适合一般计算机。

1.3 施加边界条件

模拟试件拉伸时一端固定、另一端在拉伸实验机作用下拉伸变形的实际情况。对模型端面施加了固定位移约束。对模型表面施加空气自然对流散热。对流系数根据一般情况设置为6.7，环境温度设置为20℃。前处理结果如图1所示。

图1 模型前处理

1.4 施加载荷

试样在拉伸的过程中一般要经历弹性、上屈服、下屈服、强化、颈缩5个阶段。这里简化模型，只考虑弹性、上屈服、下屈服、强化这四个特征变化明显的阶段。由本次设计实验组得到仿真数据，每个阶段有着各自对应的平均位移与平均时间，这里为了贴近试验，采用试验实测数据。拉伸试验机以60mm／min拉伸时，记录的时间位移参数整理如表2所示。

表2 拉伸阶段时间位移对应表

对应地模拟拉伸过程，将此次仿真设为4个载荷步，分别代表上表所示四个阶段。考虑到计算时间的影响，每个载荷步骤分为20个子步。受载模型如图2所示。

图2 施加载荷

2 后处理阶段与分析对比

高分子聚合物内部由高分子链段组成，错综复杂交联成网，不完全符合连续性假设。聚丙烯试件材料内会形成随机的块状结晶团或类似物，这些应力集中物随机排列放置，破坏了均匀性假设。并且，由于分子链段随机排列或纠缠，不可避免的导致各向异性。高分子聚合物受载时会调节分子内部构象，拉伸速率快的组，高分子重构和调整的时间短；拉伸速率慢的组，能够有时间调整分子内部构象，实现一定的强度增强。以上因素，会影响仿真数值结果。以60mm／min拉伸时的情况进行说明。

2.1 应变分析

试件经拉伸试验机拉伸失效时的应变尺度与仿真效果如图3、图4所示。

图3 拉伸断裂的试件

图4 仿真变形与实际变形

对比试验数据与仿真结果可知，仿真计算结果最大位移为317.307mm，小于实验组平均值330.05mm。拉伸过程中，试件固定端的应变较小，被拉端拉伸端应变较大，且沿轴向成递增态势，符合实际情况试件的变形。聚丙烯试件本身是弹塑性材料，拉伸失效实验过程中带有一定蠕变变形，而蠕变变形程度受温度、时间和载荷的影响，这一分析与卢子兴等人的研究符合［9］。而仿真默认模型为线弹性体，未能考虑到此影响，产生了偏差；试件拉伸的失效的过程中，高分子链段受到作用，不断调整内部链段构象以应对变形，这种性质具有不确定性，对试件材料性能有影响［10-11］。因此本次拉伸试验中，出现了强度随拉伸而升高的现象。

2.2 应力分析

拉伸试验机可以获取到拉伸过程的数据。整个拉伸过程大致划分为弹性、上屈服、下屈服、变形等阶段，直至试件突然断裂而试验终止。由拉伸试验机得到的应力-时间变化趋势图如图5。

图5 实验组应力-时间变化

仿真计算完成后，使用时间历程后处理器，沿试件轴向选取的四个节点的应力-时间变化图如图6。

图6 仿真组中抽取的四个节点应力-时间变化

根据各仿真阶段的应力云图和变化趋势图，聚丙烯试件拉伸失效过程总体遵循拉伸失效准则，应力与时间呈现出与实验组吻合的趋势，即先增大后减低，然后维持直至断裂。仿真的结果相对实验结果偏大，原因是，此次仿真默认整个试件拉伸过程为线弹性变形，而实际情况是只有前期很短位移内满足胡克定律［12］，而之后屈服、颈缩阶段并不满足，而且实际拉伸时失效情况还更复杂。

2.3 温度场分析

使用热成像仪实时记录拉伸失效过程温度场变化情况［13］。选取典型阶段的温度值作为对比依据。结果如图7所示。

图7 弹性阶段末期

弹性阶段末期，聚丙烯试件中间段变形最为剧烈，能量最多，最高温度显示为23℃，并向两端呈现扩散态势。见图8。

图8 上屈服阶段末期

上屈服阶段末期，聚丙烯试件最高温度达到50℃，变化剧烈，说明此阶段拉伸做功效果显著。并且可得温度作用范围扩大，说明变形程度剧烈的段长扩大。见图9。

图9 下屈服阶段末期

下屈服阶段末期，聚丙烯试件温度值变化不再明显，峰值温度达到52℃。温度作用范围进一步扩大，达到最大。见图10。

图10 弹性阶段末期

强化阶段末期，聚丙烯试件温度峰值变化不再明显，维持在51.827℃左右，温度作用范围扩大。仿真计算结束后，截取典型阶段时刻的温度值进行对比，如表3。

表3 实验组与仿真结果值对比

选取热源上的一点，使用Time Hist Postpro后处理器，显示其时间与温度的对应关系，如图11。

图12 热面源中心点时间-温度

由以上对比可知，仿真数值大小与实验结果趋势吻合。在弹性阶段，试件通过形变来应对拉伸试验机的做功，因此拉伸实验机对试件作的做功主要转化为试件的弹性势能，温度变化不大，仅仅增加了3℃左右，但是这个过程的时间极短。随后的屈服阶段，聚丙烯试件继续受到拉伸试验机加载，被拉试件无法存储过多的弹性势能，伴随宏观上试件形变量增大和微观上高分子键的破坏，试件温度峰值增加明显，达到50℃左右。拉伸失效末期，温度变化不太明显了，稳定在52℃左右，直至断裂。

3 结论

以较高速率拉伸聚丙烯试件时，相对于较低速率，其断裂失效过程需要的时间短，试件变形程度小，而温度峰值更高。以热源面方式模拟拉伸做功多少，会影响温度场随拉伸的热源的扩散效果，需要寻找更好的替代方案。另外，聚丙烯试件失效瞬间，拉伸试验机会较剧烈的抖动并伴随声响，这种现象还未能被仿真出来。