lecture1-橡胶的物理特性

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1、橡胶的物理特性第1讲©DassaultSystèmes,2008概述固体橡胶•网状结构•橡胶的硫化过程•温度和时间依赖•损伤•真实的应力–应变关系•各向异性•泡沫橡胶•细胞状结构•压缩和拉伸特性固体橡胶©DassaultSystèmes,2008IntroductiontoAbaqus/CAEL1.4固体橡胶：网状结构许多聚合体链缠绕而成的网状结构•图中的“E”表示缠绕点•长链滑动时相互缠绕，网状结构起着粘性流体的作用。•实例:天然橡胶是从乳胶中提取出来的•网状结构的方向具有随意性•行为是各向同性的•硫化过程（硫加热）在缠

2、绕点处创建链之间的化学键—我们称这些化学键为交键（cross-links），改变粘性流体的行为。交键的密度改变模量的大小。•填充物（例如炭黑）将创建其他附加键，并改变其力学特性。•填充物也可能引起微观结构的变化，并导致各向异性。固体橡胶：硫化过程•交键的密度是固化自由度的函数，与固化过程、固化温度和固化持续时间有关。•注意：真实组分要与试验样本拥有相同的固化过程，只有这样才拥有相同的刚度。•最好的解决方法：所取的试验样本是从真实部件中切取。•固化或硫化过程将产生附加的名为交键的化学键，这些键将使得人造橡胶的网状结构更加刚硬

3、。固体橡胶：温度依赖•温度依赖•长链分子的活动性强烈依赖于温度。•在温度极低的情况下（相对于玻璃转变温度glasstransitiontemperature），长链非常稳定，材料的行为与脆性材料或固体玻璃类似—非常刚硬。•在高温情况下，长链分子活动性增强，材料表现出所谓的“橡胶”特性。•即使在橡胶特性范围内，长链的活动性依然与温度相关，力-位移关系、应力-应变关系，或模量都随温度的升高而变得软化起来。固体橡胶：时间依赖•粘弹性特性•缠绕在一起的长链分子之间的滑动引起橡胶的时间依赖或粘弹性特性固体橡胶：时间依赖•滞后特性•长

4、分子之间相互摩擦而耗能。在一个加载/卸载循环中，表现出滞后特性。•耗散的能量表现为热能。固体橡胶：损伤变形可能导致交键产生损伤•Mullins作用明确给出了由于刚度损伤引起的参考损失值。固体橡胶：真实的应力–应变关系典型的单轴拉伸曲线•加载/卸载循环给出了损伤、滞后现象和永久应变•逐步加载的方式将给出损伤的累积效应。固体橡胶：各向异性各向异性•有些人造橡胶（例如纤维增强橡胶或颗粒填充橡胶）和软的生物组织表现出各向异性特性。沿着骨骼外膜动脉的轴向、周向和15度切取泡沫橡胶泡沫橡胶海绵橡胶或人造泡沫橡胶（我们一般称为泡沫橡胶）

5、具有下列特性：•人造泡沫橡胶由橡胶材料组成，弹性变形的应变值很大（拉伸应变达到500%或更多，压缩应变达到90%或更多）•人造泡沫橡胶与可压泡沫的明显不同在于其可以承受不能恢复的（非弹性）变形。•泡沫的多孔性使其能够承受非常大的体积变形，这与固体橡胶刚好相反，固体橡胶几乎是不可压缩的。•固体橡胶的泊松比→0.5•（高孔隙）橡胶的泊松比→0.0泡沫橡胶：结构泡沫橡胶由多面体单元在三个维度组集而成。•泡沫橡胶单元可以是开放的（例如，海绵）或者是封闭的（例如，泡沫浮选）。•泡沫橡胶材料的典型例子是细胞状聚合体，例如衬垫、填料和利

6、用泡沫优秀能量吸收性能的包装材料。泡沫橡胶：压缩特性泡沫一般承受压力荷载。•典型的受压时应力–应变曲线如右图所示。•可以观察到3个阶段：•应变较小时(<%5)由于细胞壁受弯而引起的泡沫变形是线弹性的•接着是应力几乎为一常数的变形平台•单元边或单元壁的组成的柱或板的弹性屈曲引起。•最后，稠化作用区域逐步发展。•单元壁压在一起，导致压应力的急剧增加。泡沫橡胶：拉伸特性小应变时的拉伸变形机制与压缩变形机制类似，但是对于大应变则不相同。•典型的拉伸应力–应变关系曲线如右图所示。•可以观察到2个阶段:•应变较小时，泡沫变形是线弹性的

7、。•这是由于单元壁弯曲引起的（与压缩变形类似）•单元壁转动和排列导致刚度增加•拉伸应变大致在0.33左右时，单元壁充分排列。继续拉伸将使得单元壁的拉伸应变增加。泡沫橡胶应变较小时，压缩和拉伸试验得到的泡沫橡胶的泊松比平均值大约为0.33•应变较大时，一般情况下压缩过程中观察得到的泊松比为0。•单元壁的弯曲没有引起显著的侧向变形。•但是，拉伸过程中泊松比是非零的，是由于单元壁的排列和拉伸引起的。•泡沫加工过程中常常导致单元包含不同的主要尺寸（Principaldimensions）。•形状的各项异性将导致不同方向上有不同的荷

8、载响应。•然而，Abaqus软件中的hyperfoam材料模型不考虑初始的各向异性。