聚丙烯材料拉伸失效過程瞬態仿真與分析

皮浩，石艷

（四川輕化工大學 機械工程學院，四川 自貢 643000）

關鍵字：聚丙乙烯；高分子拉伸失效；瞬態分析；有限元分析

在現代工程技術領域中，聚丙烯因其優良的性能、廉價的成本，常制成容器、管材和各種機械零部件，使用量逐年增加。因此，有必要對它的性能進行嚴格的測試和確認，以表征材料的性質和狀態［1］。但是，聚丙烯這類高分子材料具有微觀、細觀和宏觀層次的特征，導致與之相對應的強度及破壞行為比較復雜，不僅涉及材料學、固體力學、化學和物理學等學科領域，還具有多種學科互相滲透的特點［2-3］。總的說來，分析難度較大，常不能很好的預估聚丙烯這類高分子材料的使用年限和剩余壽命。

國內對聚丙烯這類高分子材料失效過程的研究重點，多集中在失效機理的分析上。蘭州交通大學的王軍璽等［4］人做了 “大體積混凝土溫度場仿真分析在ANSYS上的實現”，實現了大型工程問題分析過程參數化，具有借鑒意義。南京理工大學的梁亮偉等人對低溫注塑進行了相關的研究，提出了仿真與實驗存在誤差主要是邊界條件難以精確確定這一觀點［6］。國外復合泡沫塑料領域力學行為是其研究的熱點［5］，對于高分子材料失效的仿真研究較少，常以直接實驗的方式測試材料性能。研究方向大多集中在如何合成優質材料上［6-8］。總的說來，學界對聚丙烯這類高分子的失效過程的理論研究比較豐富，對失效過程仿真研究相對偏少，研究成果也僅限于高質量材料的發現與制備方面。

本文參照拉伸實驗得到的位移與時間等參數指標，通過有限元瞬態分析法，調試載荷步仿真拉伸失效過程。使用拉伸試驗機，在不同拉伸速率下，分別測試聚丙烯試件拉伸失效過程。建立試件物理模型和體單元數值模型，研究拉伸速率、單元類型、網格密度對拉伸失效過程仿真效果的影響。并分析了60mm／min時，實驗組與仿真結果組出現差異的原因。

1 有限元仿真研究

1.1 建立試件物理模型

以命令流的方式建立了物理模型模型，模型尺寸參考 《塑料拉伸標準2006》。以代碼方式建立的模型兼容性更好。本次實驗試件選用典型的高分子材料，聚丙烯。試件全新無磨損。其性能參數如表1所示。

表1 聚丙烯試件性能參數

1.2 網格劃分

定義單元格類型為結構單元SOLID226。SOLID226是三維單元格，滿足應力應變以及溫度場的耦合分析。采用智能網格劃分，以sweep的方式完成，生成了六面體網格。對1mm、1.5mm、2.5mm、3mm尺寸的仿真對比后，得出2.5mm在滿足精度要求下，計算時間最優，且計算機不會受到過高的負載，適合一般計算機。

1.3 施加邊界條件

模擬試件拉伸時一端固定、另一端在拉伸實驗機作用下拉伸變形的實際情況。對模型端面施加了固定位移約束。對模型表面施加空氣自然對流散熱。對流系數根據一般情況設置為6.7，環境溫度設置為20℃。前處理結果如圖1所示。

圖1 模型前處理

1.4 施加載荷

試樣在拉伸的過程中一般要經歷彈性、上屈服、下屈服、強化、頸縮5個階段。這里簡化模型，只考慮彈性、上屈服、下屈服、強化這四個特征變化明顯的階段。由本次設計實驗組得到仿真數據，每個階段有著各自對應的平均位移與平均時間，這里為了貼近試驗，采用試驗實測數據。拉伸試驗機以60mm／min拉伸時，記錄的時間位移參數整理如表2所示。

表2 拉伸階段時間位移對應表

對應地模擬拉伸過程，將此次仿真設為4個載荷步，分別代表上表所示四個階段。考慮到計算時間的影響，每個載荷步驟分為20個子步。受載模型如圖2所示。

圖2 施加載荷

2 后處理階段與分析對比

高分子聚合物內部由高分子鏈段組成，錯綜復雜交聯成網，不完全符合連續性假設。聚丙烯試件材料內會形成隨機的塊狀結晶團或類似物，這些應力集中物隨機排列放置，破壞了均勻性假設。并且，由于分子鏈段隨機排列或糾纏，不可避免的導致各向異性。高分子聚合物受載時會調節分子內部構象，拉伸速率快的組，高分子重構和調整的時間短；拉伸速率慢的組，能夠有時間調整分子內部構象，實現一定的強度增強。以上因素，會影響仿真數值結果。以60mm／min拉伸時的情況進行說明。

2.1 應變分析

試件經拉伸試驗機拉伸失效時的應變尺度與仿真效果如圖3、圖4所示。

圖3 拉伸斷裂的試件

圖4 仿真變形與實際變形

對比試驗數據與仿真結果可知，仿真計算結果最大位移為317.307mm，小于實驗組平均值330.05mm。拉伸過程中，試件固定端的應變較小，被拉端拉伸端應變較大，且沿軸向成遞增態勢，符合實際情況試件的變形。聚丙烯試件本身是彈塑性材料，拉伸失效實驗過程中帶有一定蠕變變形，而蠕變變形程度受溫度、時間和載荷的影響，這一分析與盧子興等人的研究符合［9］。而仿真默認模型為線彈性體，未能考慮到此影響，產生了偏差；試件拉伸的失效的過程中，高分子鏈段受到作用，不斷調整內部鏈段構象以應對變形，這種性質具有不確定性，對試件材料性能有影響［10-11］。因此本次拉伸試驗中，出現了強度隨拉伸而升高的現象。

2.2 應力分析

拉伸試驗機可以獲取到拉伸過程的數據。整個拉伸過程大致劃分為彈性、上屈服、下屈服、變形等階段，直至試件突然斷裂而試驗終止。由拉伸試驗機得到的應力-時間變化趨勢圖如圖5。

圖5 實驗組應力-時間變化

仿真計算完成后，使用時間歷程后處理器，沿試件軸向選取的四個節點的應力-時間變化圖如圖6。

圖6 仿真組中抽取的四個節點應力-時間變化

根據各仿真階段的應力云圖和變化趨勢圖，聚丙烯試件拉伸失效過程總體遵循拉伸失效準則，應力與時間呈現出與實驗組吻合的趨勢，即先增大后減低，然后維持直至斷裂。仿真的結果相對實驗結果偏大，原因是，此次仿真默認整個試件拉伸過程為線彈性變形，而實際情況是只有前期很短位移內滿足胡克定律［12］，而之后屈服、頸縮階段并不滿足，而且實際拉伸時失效情況還更復雜。

2.3 溫度場分析

使用熱成像儀實時記錄拉伸失效過程溫度場變化情況［13］。選取典型階段的溫度值作為對比依據。結果如圖7所示。

圖7 彈性階段末期

彈性階段末期，聚丙烯試件中間段變形最為劇烈，能量最多，最高溫度顯示為23℃，并向兩端呈現擴散態勢。見圖8。

圖8 上屈服階段末期

上屈服階段末期，聚丙烯試件最高溫度達到50℃，變化劇烈，說明此階段拉伸做功效果顯著。并且可得溫度作用范圍擴大，說明變形程度劇烈的段長擴大。見圖9。

圖9 下屈服階段末期

下屈服階段末期，聚丙烯試件溫度值變化不再明顯，峰值溫度達到52℃。溫度作用范圍進一步擴大，達到最大。見圖10。

圖10 彈性階段末期

強化階段末期，聚丙烯試件溫度峰值變化不再明顯，維持在51.827℃左右，溫度作用范圍擴大。仿真計算結束后，截取典型階段時刻的溫度值進行對比，如表3。

表3 實驗組與仿真結果值對比

選取熱源上的一點，使用Time Hist Postpro后處理器，顯示其時間與溫度的對應關系，如圖11。

圖12 熱面源中心點時間-溫度

由以上對比可知，仿真數值大小與實驗結果趨勢吻合。在彈性階段，試件通過形變來應對拉伸試驗機的做功，因此拉伸實驗機對試件作的做功主要轉化為試件的彈性勢能，溫度變化不大，僅僅增加了3℃左右，但是這個過程的時間極短。隨后的屈服階段，聚丙烯試件繼續受到拉伸試驗機加載，被拉試件無法存儲過多的彈性勢能，伴隨宏觀上試件形變量增大和微觀上高分子鍵的破壞，試件溫度峰值增加明顯，達到50℃左右。拉伸失效末期，溫度變化不太明顯了，穩定在52℃左右，直至斷裂。

3 結論

以較高速率拉伸聚丙烯試件時，相對于較低速率，其斷裂失效過程需要的時間短，試件變形程度小，而溫度峰值更高。以熱源面方式模擬拉伸做功多少，會影響溫度場隨拉伸的熱源的擴散效果，需要尋找更好的替代方案。另外，聚丙烯試件失效瞬間，拉伸試驗機會較劇烈的抖動并伴隨聲響，這種現象還未能被仿真出來。