一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法技术

本发明专利技术提供了一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，基于对PMI材料进行的四种温度下的逐级加载蠕变试验，获得PMI材料在不同温度和载荷条件下的蠕变曲线。并将分级等应力法与时间‑温度等效原理相结合，组成分级等应力‑时温等效法方法，构建了PMI材料的蠕变性能主曲线，实现了PMI材料长期蠕变性能的加速表征。该方法应用等效原理将原本耗时较长蠕变性能的力学试验通过升高温度、载荷并沿对数时间轴移位的方式构建出参考应力和温度下的主曲线。该主曲线表征的时间跨度可扩展到试验时长的数个甚至数十个数量级，进而大大缩短试验时间。

【技术实现步骤摘要】
一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法
本专利技术属于弹塑性材料蠕变特性研究领域，特别是一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法。
技术介绍
聚甲基丙烯酸甲酯(PMI)等材料因其良好的缓冲减振性能、高比强度、高比刚度、性能可设计和易加工成型等优势在诸多领域均获得了广泛应用。与传统弹塑性材料的力学特性不同，此类材料往往在常温下即表现出粘弹性力学特性，即其力学参数具有时间、温度、应力和应变率相关性。在刚强度满足设计要求的前提下，此类粘弹性材料的失效形式多源于长期工作产生的蠕变和应力松弛所导致的力学性能减弱甚至损伤和断裂。现阶段关于PMI等材料的蠕变研究基本都是基于宏观蠕变实验，通过对蠕变实验进行数据分析，寻找规律建立蠕变本构模型并进行材料蠕变寿命预测。当前主流的对材料长期蠕变性能加速表征方法的研究主要基于时间温度等效原理(TTSP)、与分级等应力方法(SSM)进行研究，利用TTSP方法可以理解为原本耗时较长的力学试验通过升高温度并沿对数时间轴移位的方式构建出某一参考温度下的主曲线。该主曲线的时间跨度可扩展到试验时长的数个甚至数十个数量级，进而大大较短试验时间。SSM方法即使用单个试验件在恒定温度下进行加载，使用阶梯载荷进行加载且每级载荷均持续一定时间，经过垂直移位、曲线重构、水平移位，最终通过在对数坐标轴上对曲线进行水平移位获得材料在参考应力σ0下的蠕变主曲线。在应用这些等效原理时，对已获得的试验曲线进行移位并构建出较为理想的主曲线进而获得材料长期力学性能是试验的最终目的。以上等效原理虽然可以作为一种材料长期蠕变性能加速表征的方法，但在实际的应用中存在试验件数量过多，试验件间形状误差和初始缺陷等因素对试验结果的影响过大，表征时间范围相对较短的缺点。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，以解决现有的加速表征材料长期蠕变特性的方法，TTSP与SSM中存在当其表征时间长时，其所需材料试件过多引起的误差过多和表征时间范围小的问题。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，包括以下步骤：步骤1、对硬质泡沫材料进行蠕变试验，得出硬质泡沫材料不同温度条件下的时间-应变曲线实验结果；步骤2、对不同温度下的时间-应变曲线分别进行垂直移动，得到各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；在单一温度下的时间-应变曲线，将每一级载荷瞬时的应变去掉，曲线下移，得出去除瞬时应变只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；步骤3、对各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线进行重构，得到去除蠕变累积的各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；采用幂率函数拟合的方法得到除初始载荷外的其余各级载荷作用下从理论加载起点开始的蠕变曲线，将除第一级以外的其余各级载荷的理论加载起点均移动到时间零点处，并去除掉该级之前的前几级载荷的蠕变累积，即可得到该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；步骤4、对已经获得的该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线使用SSM方法进行水平移位，获得材料在参考应力σ0下的蠕变主曲线；对各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线进行对数时间轴的处理，并在对数坐标轴上对各条应变曲线后进行水平移位，从而获得材料在参考应力σ0下的蠕变主曲线；步骤5、将材料在不同温度下参考应力都为σ0的蠕变主曲线进行TTSP的水平移动获得某一恒定参考温度下，参考应力为σ0的时间范围内的材料蠕变主曲线；将得到不同温度下参考应力σ0下的蠕变主曲线放在同一在对数坐标轴上，并将一系列不同温度下的较短时间范围内的材料力学特性试验曲线进行移位叠加，获得某一恒定参考温度下的较宽时间范围内参考应力作用下的材料力学特性主曲线。本专利技术与现有技术相比，其显著优点是：(1)与现有的应用TTSP、TSSP(时间-应力等效方法)等等效原理方法构建的材料长期蠕变曲线相比，本专利技术在预测同等时间长度材料蠕变主曲线时，所需材料试件数量更少，减少了试验件间形状误差和初始缺陷等因素对试验结果的影响。(2)在使用本专利技术作为进行长期蠕变性能加速表征时，可以比现有的TTSP和TSSP等方法预测的时间范围更广，采用的试验方式更灵活。附图说明图1是本专利技术的方法流程图。图2(a)为试件实物图片、图2(b)为试件尺寸图片。图3为试验加载曲线。图4为各温度下PMI试验应变-时间曲线。图5PMI试验为原始应变数据图6为垂直移动处理。图7为重构蠕变曲线。图8为水平移动。图9为转化为某一温度下，延长时间范围时各试验应力下蠕变曲线。图10为使用SSM方法对各级载荷下材料蠕变曲线进行水平移位。图11为对数时间轴中参考应力下20℃的PMI蠕变主曲线。图12为对数时间轴中不同温度下、同一参考应力的PMI蠕变主曲线。图13为使用TTSP方法对不同温度下的材料蠕变主曲线进行水平移位。图14为通过处理所得到的20℃、1Mpa下PMI材料蠕变主曲线。具体实施方式结合图1，一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，主要处理步骤为进行蠕变试验、SSM方法的垂直移动、曲线重构、水平移位和TTSP部分水平移动。下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步的介绍。步骤1、对硬质泡沫材料进行蠕变试验，得出硬质泡沫材料时间-应变曲线实验结果。结合图3、图4、使用含高低温试验箱的万能材料试验机对材料进行逐级加载法的方法进行试验。逐级加载法：即在同一试件上施加某一应力后观测试样的蠕变变形，在观测一定时间或材料蠕变状态趋于稳定后，再施加下一级应力继续观测其蠕变变形，依次类推。为使材料在试验过程中出现较为明显蠕变现象，且使建立的主曲线能够预测更长蠕变时间后的材料性能，末级载荷依据材料自身特性而定，第一级载荷应略大于材料长期储存的受压载荷，其余各级载荷依据第一级载荷和末级载荷的跨度进行均分设定。采用逐步加载的施加载荷方式，并让试件在不同的试验温度条件下得到不同温度下试验材料的应变-时间曲线。步骤2、对步骤1蠕变试验得到的时间-应变曲线进行垂直移动，得到不同温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线。结合图6，基于公式(1)，通过对步骤1得到的不同温度下试验材料的应变-时间曲线进行垂直移动，去除各阶段载荷施加时产生的弹性应变(即施加载荷后的瞬间变形)，保留蠕变应变。将每一级载荷瞬时的应变去掉，曲线下移，得出去除瞬时应变只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线。εt＝εe+εc(1)其中εt、εe和εc分别为总应变、弹性应变和蠕变应变。处理各阶段的应力，从总应变中去除各阶载荷之间的弹性应变。步骤3、将不同温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线进行曲线重构得到去除蠕变累积的各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线。结合图7，因为试验中每一级载荷作用所产生的材料蠕变都包括前几级载荷的蠕变累积，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、对硬质泡沫材料进行蠕变试验，得出硬质泡沫材料不同温度条件下的时间-应变曲线实验结果；/n步骤2、对不同温度下的时间-应变曲线分别进行垂直移动，得到各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；/n在单一温度下的时间-应变曲线，将每一级载荷瞬时的应变去掉，曲线下移，得出去除瞬时应变只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；/n步骤3、对各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线进行重构，得到去除蠕变累积的各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；/n采用幂率函数拟合的方法得到除初始载荷外的其余各级载荷作用下从理论加载起点开始的蠕变曲线，将除第一级以外的其余各级载荷的理论加载起点均移动到时间零点处，并去除掉该级之前的前几级载荷的蠕变累积，即可得到该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；/n步骤4、对已经获得的该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线使用SSM方法进行水平移位，获得材料在参考应力σ

【技术特征摘要】
1.一种硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对硬质泡沫材料进行蠕变试验，得出硬质泡沫材料不同温度条件下的时间-应变曲线实验结果；
步骤2、对不同温度下的时间-应变曲线分别进行垂直移动，得到各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；
在单一温度下的时间-应变曲线，将每一级载荷瞬时的应变去掉，曲线下移，得出去除瞬时应变只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线；
步骤3、对各温度下只保留蠕变和第一级弹性应变的应变-时间曲线进行重构，得到去除蠕变累积的各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；
采用幂率函数拟合的方法得到除初始载荷外的其余各级载荷作用下从理论加载起点开始的蠕变曲线，将除第一级以外的其余各级载荷的理论加载起点均移动到时间零点处，并去除掉该级之前的前几级载荷的蠕变累积，即可得到该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线；
步骤4、对已经获得的该单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线使用SSM方法进行水平移位，获得材料在参考应力σ0下的蠕变主曲线；
对各单级载荷独立作用下的独立蠕变曲线进行对数时间轴的处理，并在对数坐标轴上对各条应变曲线后进行水平移位，从而获得材料在参考应力σ0下的蠕变主曲线；
步骤5、将材料在不同温度下参考应力都为σ0的蠕变主曲线进行TTSP的水平移动获得某一恒定参考温度下，参考应力为σ0的时间范围内的材料蠕变主曲线；
将得到不同温度下参考应力σ0下的蠕变主曲线放在同一在对数坐标轴上，并将一系列不同温度下的较短时间范围内的材料力学特性试验曲线进行移位叠加，获得某一恒定参考温度下的较宽时间范围内参考应力作用下的材料力学特性主曲线。


2.根据权利要求1所述的硬质泡沫长期蠕变性能加速表征方法，其特征在于，步骤4中水平移位的多少由移位因子ασ决定，移位因子ασ为蠕变过程的在试验应力条件下的时间与参考应力下的时间之比，移位因子ασ根据下式获得：



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【专利技术属性】
技术研发人员：杨春浩，张鹏，马吴宁，仲健林，张震东，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32