海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法技术

本发明专利技术海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法，属于沉管防水装备研究技术领域，其步骤包括获取不同老化温度下的应力松弛曲线；确定出GINA止水带所用橡胶的老化性能变化值P；确定出GINA止水带的应力

【技术实现步骤摘要】
海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法


[0001]本专利技术属于沉管防水装备研究
，具体涉及海水老化的沉管隧道 GINA止水带时变本构模型构建方法。

技术介绍

[0002]随着我国经济水平的不断提高，特别是港珠澳大桥、深中通道等沉管隧道的建设，标志我国业已成为沉管隧道建设大国。
[0003]管节接头是沉管隧道防水的薄弱环节，GINA止水带作为管节接头的主要止水单元，直接影响沉管的服役性能和使用寿命。GINA止水带在20世纪60年代才开始使用，我国目前已建、在建的沉管隧道所使用的GINA止水带均来自荷兰 TRELLEBORG、VREDESTEIN或者是日本横滨橡胶株式会社。目前尚无工程资料表明，GINA止水带可以健康服役至100～120年不出问题。一方面，GINA止水带直接与海水接触，受氧化、溶胀、盐碱腐蚀、机械力及生物降解等作用，其高分子聚合物会产生交联、降解和裂纹等不可逆的物理和化学反应，从而引起 GINA止水带性能衰退；另一方面，受到荷载作用，GINA止水带会产生应力松弛和服役性能退化等力学表现。且GINA止水带在运营期不能修复和替换，一旦产生大规模渗漏水就可能会产生无法估量的后果和损失。因此，对GINA止水带服役状态的动态监测、评估与预警和使用寿命进行预测，提前确定环境与荷载耦合作用下GINA止水带老化的老化本构关系，具有重大的研究意义。

技术实现思路

[0004]本申请提供了一种基于Mooney
‑
Rivlin模型表征GINA止水带应力松弛以及海水老化特性的橡胶本构关系的海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法。
[0005]本申请首先将选取的GINA止水带试件进行压缩试验，当压缩量达到设计压缩量时，放在所设计的海水老化仓内进行应力松弛试验，在海水与载荷的共同作用下观察GINA止水带的材料劣化和力学性能退化；将未老化的GINA止水带在液氮中冷却并切割成哑铃型，进行单轴拉伸试验，测试其应力
‑
应变关系；利用 Mooney
‑
Rivlin模型对单轴拉伸试验过程进行模拟，构建GINA止水带应力松弛与海水老化的本构模型。
[0006]本申请所采用的具体技术方案是：
[0007]海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法，包括以下步骤：
[0008]1)选取GINA止水带试件，对GINA止水带试件进行设计压缩量下的不同温度的海水加速老化试验，获取不同老化温度下的应力松弛曲线；
[0009]2)根据步骤1)的应力松弛曲线确定出GINA止水带老化后接触应力σ和初始接触应力σ0，根据k＝σ/σ0确定出GINA止水带的老化系数k；根据P＝σ
‑
σ0确定出GINA止水带所用橡胶的老化性能变化值P；
[0010]3)根据时温叠加原理得到常温下的lnP随时间t变化的曲线，得到方程式 P＝exp(f(t))，f(t)为老化性能变化值P与时间t的变化函数；根据GINA止水带的老化系数k与GINA
止水带所用橡胶的老化性能变化值P之间的关联确定出 P＝(1
‑
k)σ0，即得到GINA止水带的常温老化系数k
常
＝1
‑
exp(f(t))/σ0；
[0011]4)在环境温度为23℃、拉伸速度500mm/min的条件下对GINA止水带进行单轴拉伸试验，确定出GINA止水带的应力
‑
应变关系曲线；
[0012]5)用GINA止水带的常温老化系数k
常
对步骤(4)的应力
‑
应变关系曲线进行修正，获得全老化周期的应力
‑
应变关系曲线；
[0013]6)根据步骤5)的全老化周期的应力
‑
应变关系曲线，结合Mooney
‑
Rivlin模型构建出GINA止水带应力松弛与海水老化的本构模型：
[0014]σ＝2(λ2‑
λ
‑1)(f(t)+g(t)λ
‑1)；
[0015]其中，t为老化时间；λ为GINA止水带的伸长比；f(t)为C
10
随时间t变化的函数；g(t)为C
01
随时间t变化的函数，C
10
和C
01
为Mooney
‑
Rivlin模型的Rivlin 系数，其值由全老化周期的应力
‑
应变关系曲线确定。
[0016]进一步限定，所述步骤(6)具体为：
[0017]6.1)根据步骤4)中GINA止水带的单轴拉伸试验，确定ε
i
，根据ε
i
确定出 GINA止水带的3个伸长比λ
i
，分别记为λ1、λ2和λ3，求出Green应变张量不变量I1和I2，如下式：
[0018]λ
i
＝1+ε
i
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0019]I1＝λ
12
+λ
22
+λ
32
ꢀꢀꢀ
(2)
[0020]I2＝λ
12
λ
22
+λ
22
λ
32
+λ
12
λ
32
ꢀꢀ
(3)
[0021]其中，I1为第一应变张量不变量，I2为第二应变张量不变量；λ1、λ2和λ3分别表示X轴方向的伸长比、Y轴方向的伸长比和Z轴方向的伸长比；ε
i
为应变， i＝1、2或3，其中，ε1为X轴方向的应变，ε2为Y轴方向的应变，ε3为Z轴方向的应变；
[0022]6.2)基于Mooney
‑
Rivlin模型得出的应变能密度W为：
[0023]W＝C
10
(I1‑
3)+C
01
(I2‑
3)
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0024]其中，C
10
和C
01
为Mooney
‑
Rivlin模型的Rivlin系数，其值由全老化周期的应力
‑
应变关系曲线确定；
[0025]6.3)通过Kirchhoff应力与Green应变的关系：得出GINA止水带老化后接触应力σ与伸长比λ之间的关系为：
[0026][0027]将公式(4)对I1、I2求偏导数，得出则GINA止水带老化后接触应力σ伸长比λ之间的关系：
[0028]σ＝2(λ2‑
λ
‑1)(C
10
+C
01
λ
‑1)
ꢀꢀ
(6)
[0029]6.4)采用Origin软件基于全老化周期的应力
‑
应变关系曲线，对公式(6)以非线性最小二乘本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取GINA止水带试件，对GINA止水带试件进行设计压缩量下的不同温度的海水加速老化试验，获取不同老化温度下的应力松弛曲线；2)根据步骤1)的应力松弛曲线确定出GINA止水带老化后接触应力σ和初始接触应力σ0，根据k＝σ/σ0确定出GINA止水带的老化系数k；根据P＝σ
‑
σ0确定出GINA止水带所用橡胶的老化性能变化值P；3)根据时温叠加原理得到常温下的lnP随时间t变化的曲线，得到方程式P＝exp(f(t))，f(t)为老化性能变化值P与时间t的变化函数；根据GINA止水带的老化系数k与GINA止水带所用橡胶的老化性能变化值P之间的关联确定出P＝(1
‑
k)σ0，即得到GINA止水带的常温老化系数k
常
＝1
‑
exp(f(t))/σ0；4)在环境温度为23℃、拉伸速度500mm/min的条件下对GINA止水带进行单轴拉伸试验，确定出GINA止水带的应力
‑
应变关系曲线；5)用GINA止水带的常温老化系数k
常
对步骤(4)的应力
‑
应变关系曲线进行修正，获得全老化周期的应力
‑
应变关系曲线；6)根据步骤5)的全老化周期的应力
‑
应变关系曲线，结合Mooney
‑
Rivlin模型构建出GINA止水带应力松弛与海水老化的本构模型：σ＝2(λ2‑
λ
‑1)(f(t)+g(t)λ
‑1)；其中，t为老化时间；λ为GINA止水带的伸长比；f(t)为C
10
随时间t变化的函数；g(t)为C
01
随时间t变化的函数；C
10
和C
01
为Mooney
‑
Rivlin模型的Rivlin系数，其值由全老化周期的应力
‑
应变关系曲线确定。2.根据权利要求1所述的海水老化的沉管隧道GINA止水带时变本构模型构建方法，其特征在于，所述步骤(6)具体为：6.1)根据步骤4)中GINA止水带的单轴拉伸试验，确定ε
i
，根据ε
i
确定出GINA止水带的3个伸长比λ
i
，分别记为λ1、λ2和λ3，求出Green应变张量不变量I1和I2，如下式：λ
i
＝1+ε
i
ꢀꢀꢀ
(1)I1＝λ
12
+λ
22
+λ
32
ꢀꢀꢀ
(2)I2＝λ
12
λ
22
+λ
22
λ
32
+λ
12
λ
32
ꢀꢀꢀ
(3)其中，I1为第一应变张量不变量，I2为第二应变张量不变量；λ1、λ2和λ3...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡指南，宗怡雯，冯玉楚，杜永刚，刘志春，孟硕朋，
申请(专利权)人：石家庄铁道大学，
类型：发明
国别省市：