一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法技术

本发明专利技术公开了一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法，涉及材料的力学性能领域，具体包括以下步骤：在Chaboche损伤演化模型基础上引入加载频率，推导出硬质聚氨酯泡沫材料在不同应力水平和不同加载频率下的疲劳损伤预测模型，用实验和推导过程中的公式确定出模型中的未知参数值，并拟合参数与荷载条件的函数关系式和参数与密度的函数关系式，使得模型可直接预测不同密度的硬质聚氨酯泡沫材料在不同应力水平和不同加载频率下的疲劳损伤，本发明专利技术同时考虑到了密度、名义应力水平和加载频率的影响，并用符合实际荷载条件的实验确定模型参数，使模型适用范围广，可靠性高，预测结果符合实际。预测结果符合实际。预测结果符合实际。

【技术实现步骤摘要】
一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法


[0001]本专利技术涉及材料的力学性能领域，具体涉及一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法。

技术介绍

[0002]目前硬质聚氨酯泡沫材料在许多工程领域被应用，如在大坝加固、路面维修和加固、轨道结构提升等方面，在应用过程中，硬质聚氨酯泡沫材料需要长期承载各种不同的循环加载力，这就非常考验材料抵抗弯曲疲劳的性能，所以有必要对硬质聚氨酯泡沫材料的弯曲疲劳性能进行研究。
[0003]在已有的研究中，尽管研究了很多种聚合物材料的弯曲疲劳性能，但是由于硬质聚氨酯泡沫材料与传统聚合物材料在延展性、微观结构和失效机理等特性上的差异，其弯曲疲劳性能也不同，并且目前在对硬质聚氨酯泡沫材料的研究大多集中在拉伸或压缩疲劳方面，不能反映实际工况中的弯曲疲劳特性。
[0004]在过去的研究中，主要研究工作是在开发可靠的疲劳预测模型上，并取得了很多有效成果，但是由于在实际工况中，硬质聚氨酯泡沫材料会受到不同加载频率和不同名义应力水平的循环荷载，这会对材料的疲劳寿命和损伤演化特性有极大影响，但是现有研究却忽略了这一影响因素，导致最后的预测结果与实际不符。

技术实现思路

[0005]针对现有技术不足，本专利技术提供一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法，在传统Chaboche损伤演化模型中引入了加载频率并推导出所需模型的理论公式，制作多组不同密度的试件，用三点弯曲实验测得不同密度试件的弯曲抗拉强度，接着用三点弯曲疲劳实验测得在不同荷载条件下不同密度试件的疲劳寿命和应变变化情况，通过实验数据和公式确定参数，并在模型中引入参数与荷载条件的函数关系式和参数与密度的函数关系式，最后得到不同密度的硬质聚氨酯泡沫材料在不同荷载条件下的疲劳损伤演化模型。
[0006]为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：
[0007]一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法，所述评价方法为建立不同密度的硬质聚氨酯泡沫材料在不同荷载条件下的疲劳损伤演化模型，所述模型建立的方法包括以下步骤：
[0008]①
建立理论模型：在传统的Chaboche损伤演化模型基础上推导出引入加载频率后的基础公式为下式(1)：
[0009][0010]式中：D
N
—N次加载循环后的损伤变量；N—加载循环次数，N＝0、1、2
…
；Si—名义应力水平；f—加载频率(HZ)；α，β，γ，m—模型参数，
[0011]并推出在不同名义应力水平和不同加载频率下的硬质聚氨酯泡沫材料疲劳损伤演化的理论模型为下式(2)：
[0012][0013]再通过该模型公式推导出疲劳寿命的计算公式(3)和基础公式简化后的模型公式(4)：
[0014]疲劳寿命的计算公式为下式(3)：
[0015][0016]式中：N
l
—疲劳寿命，
[0017]理论模型公式简化后的公式为下式(4)：
[0018][0019]②
制备试件：由于步骤
①
中推出的模型公式的模型参数未确定，需进行实验来确定参数值，首先用材料一(聚醚多元醇、催化剂和发泡剂)与材料二(异氰氨酯)按1:1的体积比混合后注入长方体模具中，并通过控制材料的注入量制作多组密度不同的试件，并保证各个试件大小形状相同。
[0020]③
三点弯曲实验：因为没有适用于硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳实验标准，因此参考(JTG E20
‑
2011)的弯曲实验，将不同密度的试件在伺服液压万能实验机上测试，获得不同密度试件的弯曲抗拉强度，将其定义为极限静态弯曲应力σ
ult
，并拟合出密度与极限静态弯曲应力的函数关系式，用以计算名义应力水平，
[0021]密度与极限静态弯曲应力的函数关系式为下式(5)：
[0022]σ
ult
＝0.01785ρ
‑
0.54365
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]式中：σ
ult
—极限静态弯曲应力(MPa)；ρ—硬质聚氨酯泡沫材料的密度(kg/m3)。
[0024]④
三点弯曲疲劳实验：将不同密度的试件在不同加载频率下进行不同名义应力水平下的疲劳测试，并记录每个试件在不同荷载条件下的加载次数和随时间变化施加的荷载，以及试件的应变变化情况，并定义加载循环过程中加载N次后的损伤变量实验值的计算公式，以加载循环过程中加载N次后的损伤变量来反映疲劳损伤情况，
[0025]实验中名义应力水平的计算公式为下式(6)：
[0026][0027]用实验数据计算N次加载循环后的损伤变量实验值的公式为下式(7)：
[0028][0029]式中：ε
N
—N次加载循环后的累积应变(μm)；ε
ult
—累积失效应变(μm)。
[0030]⑤
参数确定的实用模型：结合步骤
①
中疲劳寿命计算公式(3)和步骤
④
中的实验数据，确定模型中未知参数γ＝
‑
0.921，
[0031]结合式(4)和步骤
④
中实验数据确定出不同密度试件对应的参数的值，再拟
合出参数的值与试件密度的函数关系式为下式(8)：
[0032][0033]式中：ρ—硬质聚氨酯泡沫材料的密度(kg/m3)；
[0034]结合式(3)和步骤
④
中实验数据，用最小二乘法优化出不同荷载条件下的参数α和m的值，并拟合出参数m与加载频率f和名义应力水平Si的函数关系式为下式(9)：
[0035]m＝0.84Si
2.98
+1.37Si
0.09
×
(1.18f
0.3
+0.05)+2.76
ꢀꢀꢀ
(9)
[0036]其中，参数α与加载频率f和名义应力水平Si的函数关系为下式(10)：
[0037]α＝
‑
0.2848Si
2.43
+9.656f
‑
0.58
·
ln f
‑
3.5177
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0038]将参数γ的值、式(7)、式(8)和式(9)结合式(3)，最终得到不同密度的硬质聚氨酯泡沫材料在不同荷载条件下的疲劳损伤演化模型为下式(11)：
[0039][0040]式中：m＝0.84Si
2.98
+1.37Si
0.09
×
(1.18f
0.3
+0.05)+2.76；α＝
‑
0.2848Si
2.43
+9.656f
‑
0.58
·
ln f
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法，其特征在于，所述评价方法为建立不同密度的硬质聚氨酯泡沫材料在不同荷载条件下的疲劳损伤演化模型，所述模型建立的方法包括以下步骤：
①
建立理论模型：在传统的Chaboche损伤演化模型的基础上推导出引入加载频率后的基础公式，推出在不同名义应力水平和不同加载频率下的硬质聚氨酯泡沫材料疲劳损伤演化的理论模型，再通过该模型公式推导出疲劳寿命的计算公式和理论模型公式简化后的公式；
②
制备试件：制备多组密度不同的试件，且试件形状为长方体梁形，试件大小形状相同；
③
三点弯曲实验：采用三点弯曲实验测得不同密度试件的弯曲抗拉强度，并将其定义为极限静态弯曲应力，用以计算名义应力水平；
④
三点弯曲疲劳实验：将每组试件在不同荷载条件下进行实验，记录每个试件在不同荷载条件下的加载次数和随时间变化施加的荷载，以及试件的应变变化情况，并设立加载循环过程中加载N次后的损伤变量实验值的计算公式，以加载循环过程中加载N次后的损伤变量来反映疲劳损伤情况；
⑤
参数确定的实用模型：结合步骤
①
中疲劳寿命计算公式和简化后的模型公式以及步骤
④
中的实验数据，确定模型中未知参数，再拟合参数与荷载条件的函数关系式和参数与密度的函数关系式，最终得到不同密度的硬质聚氨酯泡沫材料在不同荷载条件下的疲劳损伤演化模型。2.根据权利要求1所述的一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法，其特征在于，所述步骤
①
中引入加载频率后的基础公式为下式(1)：式中：D
N
‑
N次加载循环后的损伤变量；N
‑
加载循环次数，N＝0、1、2
…
；Si
‑
名义应力水平；f
‑
加载频率(HZ)；α，β，γ，m
‑
模型参数，在不同名义应力水平和不同加载频率下的硬质聚氨酯泡沫材料疲劳损伤演化的理论模型为下式(2)：疲劳寿命的计算公式为下式(3)：式中：N
l
‑
疲劳寿命，理论模型公式简化后的公式为下式(4)：。3.根据权利要求1所述的一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法，其特征在于，所述步骤
②
中制备试件，是用聚醚多元醇、催化剂、发泡剂的混合物与异氰氨酯按1∶1的体积比混合后注入长方体模具中，并通过控制材料的注入量制作多组密度不
同的试件，并保证各个试件大小形状相同。4.根据权利要求1所述的一种修护加固用的硬质聚氨酯泡沫材料的疲劳损伤评价方法，其特征在于，所述步骤
③
中三点弯曲实验，是将不同密度的试件在伺服液压万能实验机上测试，获得不同密度试件的弯曲抗拉强度，将其定义为极限静态弯曲应力σ
ult
，并拟合出密度与极限静态弯曲应力的函数关系式，用以计算名义应力水平，密度与极限静态弯曲应力的函数关系式为下式(5)：σ
ult

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，任志杰，刘凯，黄沐阳，杨仲，张红波，陶明霞，马志平，
申请(专利权)人：安徽建筑大学，
类型：发明
国别省市：