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聚丙烯(PP)材料缺口敏感性的有限元分析

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第24卷第4期 贵 州 科 学 GUIZHOU SCIENCE Vo1.24,No.4 Dee.2006 2006年l2月 聚丙烯(PP)材料缺口敏感性的有限元分析 周武雷 ,蔡长安 ,魏桂耀 ,王 转 (1.黔南民族师范学院,贵州都匀558000;2.贵州大学,贵州贵阳550003) 摘要本文采用通用有限元软件ANSYS对聚丙烯(PP)材料的缺口试件的缺口处应力状态进行了分析计算, 考察了聚丙烯带切口试件的拉伸强度与切口几何尺寸(切口深度和切口底部圆弧半径)之问的关系,并将计算 结果与实验结果作了比较。 关键词缺口敏感性;聚丙烯;有限元分析 TB322 文献标识码A 文章编号1003-6563(2006)04-0012一O6 中图分类号FINITE ELEMENT ANALYSlS 0F THE N0TCH SENSITIⅥTY oF PoLYPRoPYLENE(PP) ZHOU Wu.1ei ,CAI Chang—on ,WEI Gui-yao ,WANG Zhuan (1.Qiannan Normal University of Nationalities,Duyun,Guizhou 558000;2.Guizhou Universiy,Guityang 550003) ABSTRACT The finite element analysis of the softwa ̄'C ANSYS is used for calculating the stresses of the PP notch samples.The relationship between tensile strength of the PP notch samples and the notch sizef the depthes and the arc radius of the notch bottom)is studied.The resltus of ifnite elementla analysis have been compared with the experimen— tl resuhs.a KEY WORDS notch sensitiviy;poltypropylene;finite element analysis 聚丙烯(PP)材料的缺口敏感性的实验研究,以 的关系,并将计算结果与实验结果作了比较。 试验的方式考察了聚丙烯(PP)材料带切口的试件 的拉伸强度和屈服应力与切口深度和切口底部圆弧 半径之间的关系。实验结果说明,聚丙烯(PP)材料 1有限元计算模型 由实际试验所用的试件的几何形状和承载的对 称性,取用试验试件的四分之一作为ANSYS有限元 的缺口敏感度NSR平均值为1.1l,聚丙烯(PP)材 料对缺口是不敏感的…。但在目前的实验条件下, 还无法测出缺口处的应力分布,尚难于对聚丙烯 (PP)材料的缺口敏感性作进一步的深入分析。为 计算的模型(参见图2),其尺寸如下:长为30mm,厚 为4mm,无缺口处的截面宽为5mm。 1.1 分析设定 此,本文采用通用有限元软件ANSYS对聚丙烯 (PP)材料的缺口试件的缺口处应力状态进行了分 析计算,考察了聚丙烯带切口试件的拉伸强度与切 口几何尺寸(切口深度和切口底部圆弧半径)之间 收稿日期:2005—06—13 当材料中的应力超过屈服点时,塑性即被激活, 即有塑性应变发生。本文分析的是实际试验中被拉 断的试件,其拉断的过程经历了弹性变形和塑性变 基金项目:贵州省科学技术基金资助项目(黔科台J宇[2005]2094号)。 作者简介:周武雷。男,黔南民族师范学院讲师;蔡长安,男,贵州大学教授。 维普资讯 http://www.cqvip.com

4期 周武雷,等:聚丙烯(PP)材料缺口敏感性的有限元分析 13 形,必须作弹塑性分析来模拟试件在受拉情形下的 力学行为。 聚丙烯(PP)材料无切口光滑试件的拉伸强度 为19.0Mpa,屈服应力为18.5Mpa,其简化的本构关 系为理想塑性的应力一应变曲线,如图l所示。 本分析设定为小变形和率不相关,不考虑应变 率的影响。 图1 简化的聚丙烯(PP)材料的理想塑性应力一应变曲线 (E:171MPa。 s:18.5 MPa) Fig.1 Stress—strain curve of the simplified ideal plasticity of polypropylene 1.2单元选用 ANSYS软件中适用于本研究的薄板平面应力 单元主要有PLANE2、PLANE42、PLANE82等单元。 本文选用PLANE82单元,此单元具有一致位移形状 由于所取计算模型的曲线几何边界,采用映射 网格划分,技术方案如下:将原平板面划分成3个 面,以使每个面都是四边形,然后用PLANE82单元 做映射网格划分,既可节省计算时间,又有足够高的 计算精度。 如对切口底部半径r=0.5mm、切口深度h= 函数,能很好地适应曲线边界,具有分析物理非线性 问题包括弹塑性变形的能力。 1.3坐标的选取和网格划分 坐标的选取 对每一缺口试样建立ANSYS计算模型时,坐标 系建立如图2所示,坐标原点始终取在缺口尖端点 上。 网格划分 图2 PP切口试件0.5H3的三面划分及 约束示意图 Fig.2 Schematic diagram of the three sections drawing and restrictions of the PP notch sample 0.5H3 图3 PP切口试件0.5H3的映射 划分网格图 Fig.3 Mapping divided network chart of the PP notch sample 0.5H3 维普资讯 http://www.cqvip.com

14 贵州科学 24卷 3ram(简写为0.5H3,以下皆采用此种简写方式表示 采用较小的计算代价来逼近得到每个计算模型的拉 切口的几何尺寸)的切口试件模型,取圆弧切口处 伸强度,载荷的施加采用写入载荷步文件的方法,大 的切点,另在下端面取点(10,一2),上端面取点 致采用三到四个载荷步,使每一个子步都能得到收 (12,3),三点间连线以直线分割原整面得新的3个 敛的解。 面,此三面均为四边形,如图2。再以本文所选取的 对缺口试件的ANSYS计算模型作弹塑性分析 单元PLANE82单元去划分网格,就可以很好的吻合 时,分为两个部分,各部分的计算设定如下: 曲线边界,然后调整划分单元的数目,就可以得到无 (1)弹性部分linear—elastic:isotropic,输人参 任何形状警告的整体单元划分。这对尽量提高本文 数:EX以及泊松比。 的ANSYS有限元分析模拟的精度有很大好处。边 (2)塑性部分:nonlinear—inelastic—rate in. 界处的映射网格划分如图3所示,单元总数为 dependent。__——isotropic hardening plasticity。__——raises 10800个。 plasticity,输入参数:屈服应力以及正切模量。 1.4收敛准则 采用ANSYS软件自默认的收敛容限以力为基 2有限元计算结果 础的收敛准则。 1.5加载方案 2.1聚丙烯(PP)切口试件的拉伸强度计算值见 由于本文为物理非线性分析,为保证收敛以及 表1。 表1 聚丙烯(PP)材料切口试件的拉伸强度计算值 Tab.1 Calculated tensile strength values of the PP notch samples 注:上表第一行0.1~1.0表示切口底部圆弧半径,分别为从0.1mm到1.0mm。H1、H2和H3表示切口深度分别取1、2 和3mm。拉伸强度的单位为Mpa。 2.2 当深度h分别为l、2、3ram时。切口试件拉伸强度的计算值随切口底部半径变化如图4所示。 聚丙烯(PP)材料的缺口敏感度NSR的计算值见表2。 表2聚丙烯(PP)材料的缺口敏感度NSR的计算值 Tab.2 Calculated notch sensitivity ratio(NSR)values of the PP notch smaples 由表2,聚丙烯(P P)材料的缺口敏感度NSR 的计算值的平均值是:当切口深度h=lmm时,NSR 3讨论 =1.03;h=2ram时,NSR=0.943;h=3ram时, NSR=1.09;总的平均值为1.02。 3.1聚丙烯(PP)切口试件有限元计算结果与实验 结果的比较 图4显示了聚丙烯(PP)材料切口试件拉伸强 维普资讯 http://www.cqvip.com

4期 周武雷,等:聚丙烯(PP)材料缺El敏感性的有限元分析 15 度的有限元计算值和实验值。由图4,在切口深度 为h=1mm和h=3mm时,有限元计算值和实验值 比较接近,但切口深度h=2ram时,有限元计算值和 实验值有较大的误差。但有限元计算值和实验值随 切口底部半径变化的规律是基本一致的。 聚丙烯(P P)材料的缺El敏感度NSR的计算值 图4—1切口深度h=1mm Fig.4~1 Notch depth h=lmm 图4—3切口深度^=3mm Fig.4—3 Notch depth h=3mm 3.2全弹性与弹塑性状态下的缺口截面处的MIS. ES等效应力值的讨论 以PP试件0.5H1为例。在约束和载荷施加相 同的情况下,考虑全弹性与弹塑性2种情况。全弹 性情况是指材料在加载过程中始终处于弹性状态, 不考虑屈服,对于聚丙烯(PP)材料这是一种为了比 较研究而做的假设状态。弹塑性状态是指随着载荷 的增加,处在弹性阶段的应力状态将不断变化,当应 的平均值是1.02,而聚丙烯(P P)材料的缺口敏感 度NSR的实验平均值是1.1l,误差为8.1%,但它 们都大于1,用它们来衡量聚丙烯(P P)材料的缺El 敏感性的结论是一致的,即聚丙烯(P P)材料对缺 口是不敏感的。有限元计算结果支持实验关于聚丙 烯(PP)材料的缺口敏感性的相关结果。 图4—2切口深度h=2mm Fig.4—2 Notch depth h=2mm 图4聚丙烯(PP)材料切口试件的拉伸 度计算值随切口底部圆弧半径变化关系图 (有限元计算值■一■一■一■ 实验值●一●一●一●) Fig.4 calculated tensile strength values verBu¥the radius of the bottom arc for the PP notch samples (claculated finite element values■一■一■一■ Experiment values●一●一●一●) 力状态满足屈服条件时材料将屈服并产生塑性变 形,如采用MISES屈服条件,则当MISES等效应力 达到材料的屈服值 时,材料进人塑性状态。 全弹性情况下,缺口截面处的MISES等效应力 值如图5所示,节点MISES等效应力云图如图6所 示;弹塑性情况下,缺口截面处的MISES等效应力 值如图7所示,节点的MISES等效应力云图见图8 所示。二者相比较,在约束和载荷施加相同的情况 维普资讯 http://www.cqvip.com

16 贵州科学 24卷 下,全弹性情况与弹塑性情况下的缺口截面处的 MISES等效应力值的分布有很大差别。塑性变形使 应力在切口附近区域进行了重新分布,MISES等效 应力的最大值在全弹性情况下为64.5Mpa,而在弹 塑性状态下变成18.5Mpa(等于聚丙烯材料的屈服 62.48 57.79 53.10 48.42 43.73 39.05 34.36 应力 )。正是由于聚丙烯(PP)材料试件缺口截 面处的塑形变形,使聚丙烯(PP)材料缺口试件的 拉伸强度始终略高于无缺口光滑试件的拉伸强度, 从而聚丙烯(PP)材料的缺口敏感度NSR大于1,得 到聚丙烯(P P)材料对缺口不敏感的结果。 l { { 《 { … } e: ; ; } ; 29.68 24.99 20_31 15.62 ; ’ 0~ 0 ; ; 1.6 4 1.2 2 DlsT 2.4 2.8 3.2 3.6 4 图5全弹性情况下缺口截面处的 MISES等效应力值图(PP切口试件0.5HI) Fig.5 MISES equivalent stress distribution on the notch cross section under elastic state only 图6全弹性情况下节点的MISES等效应力云图 (PP切口试件0.5HI) Fig.6 Cloud chart of the node MISES equivalent stress distribution under elastic state only (the PP notch sample 0.5H1) (the PP notch sample 0.5H1) 18.502 ’ 18.359 l8.22 18.O81 17.942 17.803 17.664 17.525 17.386 17.247 17.108 \ { 、7 ~ 、 、 0.5h1el7l NOD^L S0LUTION STEP=I SUB=7l T工ME=l0 SEQV (AVG) PowerGraphics l i EFACI =1 AVRES=Mat D皿=3.063 SMN=.066733 S皿=18.55 ZV l tDIST=3.252 ‘xP =2.994 *YF=一1.184 Z一耵F职 ; _,.066733 1,i f \ { { 、 ~ 0 4 .8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.2 3.6 4 曾 ; 图8弹塑性情况下节点MISES等效应力云图 (PP切口试件0.5H1) Fig.8 Cloud chart of the nodel MISES equivalent stress distribution under elastic—plastic state 图7弹塑性情况下缺口截面处的MISES等效应力值图 (PP切口试件0.5H1) Fig.7 MISES equivalent stress distribution on the notch cross section under elastic—plastic state (the PP notch sample 0.5HI) (the PP notch sample 0.5HI) 维普资讯 http://www.cqvip.com

4期 周武雷,等:聚丙烯(PP)材料缺口敏感性的有限元分析 此种情况的原因尚不能确定。 l7 3.3 关于有限元计算结果与实验结果的误差讨论 有限元分析结果与实验结果之间误差产生的原 因有: 3.3.1实验试件切口加工的误差引起的实验结果 参考文献 [1] 周武雷,蔡长安.热塑性材料的缺口敏感性实验研究 [J].贵州科学,2005,23(2):22—26 的误差:限于条件,本文实验试件的切口加工方法比 较粗糙,加工误差特别是切口几何尺寸的加工误差 难以控制。 3.3.2材料简化成理想塑性模型而带来的误差:聚 丙烯(PP)材料在进行有限元计算时,其本构关系简 化为理想塑性材料的力学模型,这种简化与实际本 构关系存在着一定的差异。 [2]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理与数值方法[M]. 北京:清华大学出版社,1988 [3]吴永礼编著.计算固体力学方法[M].北京:科学出版 社,2003 [4] 何其笙.高聚物的力学性能[M].合肥:中国科学技术  ̄-v-出版社,1996 3.3.3有限元方法本身是一种求近似解的数值计 算方法,这种方法本身,从原理上和具体执行计算过 程中都必然存在有误差。 3.3.4 由图4—2可以看出在切口深度h=2mm [5]谢贻权,何福保.弹性和塑性力学中的有限单元法 [M].北京:机械工业出版社,1981 [6]ANSYS结构分析指南(中)结构非线性 [7]Lai J,Van der giessen E.A numerical study of crack— tip plasticity in glassy polymers[j].Mechanics of materi- als,1997,25:183—197 时,拉伸强度的有限元计算值与实验值之间的误差 比切口深度h=lmm、h=3mm时的误差要大。出现 (上接第33页) [9]Chen H B,Zhang C L and wen x J.Two new species of Simulium(Gomphostibia)from Fanjing Mountain,China (双翅目:蚋科)[J].昆虫学报,1996,39(4):423— 425 [13]Chen H,Chen H B.A New Black_fly Species of Simuli- um(Diptera:Simuliidae)from GuizhOU Province,Chi- (Diptera:Simuliidae)[J].Entomologia Sin,7(1):21— 28 na[J].Entomologia Sin,2001,8(3):208—212 [14] Chen H B,Zhang C L,Huang L.Two New Blackfly Species of Simalium(Simulium)From Sichuan Prov- [1O]邓成玉,张有植,陈汉彬.西藏林芝真蚋三新种(双翅 目:蚋科)[J].四川动物,1995,14(1):7—1O [11] Chen H B,Zhang C L,Huang L.A New Species of Simulium(Neverrrmnnaia)From Sichuan Province, ince,China(Diptera:Simulium)[J].Acta Zootaxo- rtomicct Sinica,2005,30(2):430—435 China(Diptera:Simuliidae)[J]Acta Zootaxonomia Sinica,2005,30(3):625—627 [15] 陈汉彬.中国蚋类的区系分布和地理区划[J].动物 分类学报,2002,27(3):189—195 [12]邓成玉,张有植,薛群力,陈汉彬.西藏蚋科一新种 

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