中高应变率和不同温度下离子型中间膜的拉伸力学性能及本构关系

2021-03-02陆钰佳陈素文

工程力学 2021年2期

陆钰佳，陈素文,2，张洋

(1.同济大学土木工程学院，上海200092；2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092)

夹层玻璃是一种通过高温高压处理将多层玻璃面板和中间层材料结合在一起的复合面板。在夹层玻璃的不同工作阶段，中间层材料有不同的力学贡献[1]：玻璃面板破碎之前，中间层材料在玻璃面板之间传递剪力，其剪切模量决定了剪力传递机制的效率；玻璃面板破碎之后，中间层材料粘结大部分玻璃碎片，其拉伸性能直接影响破碎后夹层玻璃的剩余承载力。

离子型中间膜(如SentryGlas®，简称SG)作为一种新型高性能中间层材料，与传统的聚乙烯醇缩丁醛(Polyvinyl Butyral，简称PVB)相比，具有强度高、模量大、延性好的优点[2-3]。尽管离子型中间膜已经被用于具有高性能要求的玻璃幕墙和玻璃结构中[4]，但国内外对其拉伸性能仍缺乏全面系统的研究，已有研究主要集中在室温下材料的应变率效应[5-8]。Bennison 等[5]在室温下对离子型中间膜进行了0.1 s-1～125 s-1的拉伸试验，Zhang等[8]在33℃下进行了高达2000 s-1的动态拉伸试验，在1 s-1～700 s-1下得到了较稳定的试验曲线，但1000 s-1以上的应力-应变曲线振荡较大。研究结果表明：在室温下，随着应变率的提高，离子型中间膜强度提高但延性降低。作为一种高聚物，温度对离子型中间膜的力学性能影响不可忽略，但相关研究主要针对低应变率下的温度效应[9]，对中高应变率和温度耦合作用下离子型中间膜的力学性能尚没有研究。此外，已有的夹层玻璃的动力分析中，多采用简化的分段弹塑性模型描述特定应变率下中间层材料的力学行为[10-12]，而其他温度和应变率下的材料行为则通过插值获得，无法满足准确反映复杂应变率和温度下工程问题的需要。

本文进行了-40℃～60℃和1 s-1～800 s-1下离子型中间膜的动态拉伸试验，通过对试验结果的分析，解析温度和应变率对材料力学性能的影响，基于G’SELL模型拟合了模型参数，并提供有限元实现方法。研究成果将为离子型中间膜夹层玻璃的后续研究提供基础。

1 试验概况

试验所用的离子型中间膜为SG(SentryGlas®，简称SG)，试件切割于同一卷SG 材料，名义厚度为1.52 mm。考虑到试件尺寸对动态拉伸试验结果的可信度有较大影响，试验前结合数值模拟和预试验，对GB/T528-2009[13]中的1型～4型四种试件尺寸以及Zhang 等[8]采用的试件尺寸(下文称为ZXH 型)进行考察。根据试件在中高应变率下单轴拉伸试验中的断裂位置和工程应变率恒定性，确定1 s-1、10 s-1和100 s-1下采用GB/T528- 2009[13]中的2型试件，300 s-1、500 s-1和800 s-1下采用ZXH 型试件。试件尺寸如图1所示。

图1 试件尺寸/mm Fig.1 Dimensions of specimens

试验加载装置为INSTRON VHS高速液压伺服试验机，最大拉伸速率为20 m/s。试验过程中采用PHOTRON FASTCAM SA-X 高速摄影仪记录试件标距段的变形，试验装置如图2所示。试件标记如图3所示。

图2 试验设备Fig.2 Test machine

图3 试件的标记Fig.3 Marks on specimens

试验前，将试件放入温度箱中加热至预设温度并持温3 h 以上。为记录试件的实际试验温度，试验开始时，从温度箱中取出两个相同的试件，一个用于加载，另一个用于测定加载完毕时试件的实际温度。

采用位移模式加载，加载速率根据预设应变率和试件标距段长度(见图1)确定。试验加载原理如图4所示，试件通过夹具与INSTRON 拉伸试验机相连，下端固定，上端由试验机的驱动器施加恒定的拉伸速率V，从而给试件提供一个恒定的预设应变率。

图4 加载原理Fig.4 Loading principle

试验在不同温度和应变率下进行，共42组工况：7种预设温度-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、50℃、60℃，以及6种预设应变率1 s-1、10 s-1、100 s-1、300 s-1、500 s-1、800 s-1。每个工况进行三次重复试验。

2 试验结果与分析

2.1 断裂位置

图5所示为高速摄像仪记录的20 ℃和10 s-1下试件加载至破化的全过程：加载初期，试件就发生明显的轴向拉伸变形和横向收缩，但直至被拉断试件也未出现明显的颈缩现象。

为确保试验量测结果能表征标矩段的材料力学行为，试件的断裂位置应位于标距段中。试验结果显示：在-40℃、-20℃、0℃和20℃下，试件的断裂位置基本都在标距段以内。而在40℃、50℃和60 ℃下，部分试件的断裂位置在标距段以外，但仍处在试件的直线段内并靠近标矩段，可以认为应力状态与标距段内基本一致。图6给出了20℃和40℃下试件的断裂位置。

2.2 数据处理

2.2.1真实应力、真实应变

试验过程中材料表现出明显的大变形特性，因此，采用真实应力和真实应变描述离子型中间膜材的力学性能，如式(1)和式(2)所示：

图5 试件典型加载至破坏过程(20℃-10 s-1-2)Fig.5 Typical deformation process of specimen 20℃-10 s-1-2

图6 试件断裂位置Fig.6 Fracture locationsin specimens

式中： σt和εt分别为真实应力和真实应变； σe为工程应力，即荷载和试件标矩段的初始横截面面积之比；εe为工程应变，即试件标距段的变形与初始长度之比。

2.2.2预设温度和试验温度

为考虑试验时间内的试件温度变化，试验结束时记录了试件的试验温度。表1给出了预设温度值与试验温度的对比。

表1 预设温度与试验温度Table1 Preset temperatures and test temperatures

2.2.3预设应变率和试验应变率

图7为预设温度为20℃、预设应变率为1 s-1下三个试件的真实应变率和工程应变率时程曲线，分别由真实应变时程和工程应变时程求导得：

图7 试验应变率的确定Fig.7 Determination of test strain rate

如图7(a)所示，随着轴向变形的增大，试件的横截面面积减小，进而导致真实应变率明显减小。恒速率加载模式不能实现真实应变率的恒定，只能保持工程应变率的相对平稳，如图7(b)所示。因材料的拉伸力学性能主要用于描述大变形阶段的贡献，取工程应变率时程曲线中峰值点和破坏点之间的平均值来表征工况，称为试验应变率。表2给出了各工况的试验应变率。

2.3 真实应力-应变曲线

图8为20℃、不同试验应变率下的工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线。可以看出：加载初期，工程应力-应变曲线和真实应力-应变曲线类似，均呈现基本线性关系；当曲线接近屈服点时，两者逐渐表现出明显的差别：工程应力随着工程应变的增加先减小后保持一定的应力水平直至断裂，而真实应力-应变曲线则相继进入强化阶段直至试件断裂，部分曲线还在强化前表现出软化现象。

表2 各工况的试验应变率Table 2 Test strain rates in different cases

图8 20℃、不同试验应变率下应力-应变曲线(虚线为工程应力-应变曲线，实线为真实应力-真实应变曲线)Fig.8 Strain-stresscurvesfor different test strain ratesat 20℃(dashed lines represent engineering stress-strain curves,solid lines represent true stress-strain curves)

图9(a)～图9(d)给出了-33℃、20℃、47℃和54℃、所有试验应变率下的真实应力-应变曲线。所有曲线均经历了初始线性、屈服和强化阶段。对于应变率为1 s-1～100 s-1、试验温度为-20℃～35℃的部分工况，曲线还会在屈服后进入应变软化阶段。

各温度下，随着应变率提高，相同应变水平的应力都有提高，且该效应在1 s-1～100 s-1内更明显。此外，温度低于20℃时，应变率对线性阶段斜率的影响较小。而温度高于20℃时，随应变率的提高，线性段的斜率显著增大。

图9 不同试验温度和试验应变率下真实应力-应变曲线Fig.9 Truestrain-stresscurvesat different test temperatures and test strain rates

2.4 关键力学参数

为量化分析温度和应变率对离子型中间膜力学性能的影响，根据真实应力-应变曲线确定了所有工况的关键力学参数，包括初始弹性模量、名义屈服强度和名义屈服应变，以及抗拉强度和相对应的极限应变。其中，初始弹性模量取应变范围为0%～1%的割线模量，名义屈服强度取残余应变为0%～2%时的应力值，屈服应变为相应的应变值。需要指明的是，在讨论关键力学参数的应变率效应时，为描述一致，采用预设应变率，但该值与实际的应变率有一定差别。

2.4.1初始弹性模量

图10给出了初始弹性模量随试验温度和预设应变率的变化曲线。结果表明：离子型中间膜的初始弹性模量随温度的升高而减小，且减小幅度与温度区间密切相关：当温度低于20℃时，初始弹性模量模量随温度的变化不明显，基本在1000 MPa 左右；当温度高于20℃时，初始弹性模量随温度的升高而显著减小，40℃时，初始弹性模量减小至500 MPa 左右，仅为20℃时的一半。

图10 初始弹性模量随试验温度和预设应变率变化的对比Fig.10 Comparison of initial modulus with test temperature and preset strain rate

此外，应变率对初始弹性模量的影响也与温度区间相关：当温度低于20℃时，应变率对初始弹性模量的影响较小且没有明显规律，而当温度高于20℃时，初始弹性模量随应变率的提高而略有增大。

2.4.2屈服强度与屈服应变

图11给出了屈服强度随试验温度和预设应变率的变化，结果表明：无论在何种应变率下，离子型中间膜的屈服强度均随温度的升高而减小；而随应变率的提高，屈服强度表现出增大的趋势。

图11 屈服强度随试验温度和预设应变率变化的对比Fig.11 Comparison of yield stress with test temperature and preset strain rate

图12给出了屈服应变随试验温度和预设应变率的变化。当温度低于20℃时，屈服应变随温度的升高而变化较小；当温度高于20 ℃时，屈服应变随温度的升高而增大。预设应变率100 s-1下，当温度由47℃升高至54℃时，屈服应变反而减小。这与试验曲线特征和屈服应变的确定方法有关，如图9 所示，47℃的曲线有明显的线弹性段，而54℃的曲线更趋于超弹性特性。

图12同时表明应变率对屈服应变的影响规律并不明显。

图12 屈服应变随试验温度和预设应变率变化的对比Fig.12 Comparison of yield strain with test temperature and preset strain rate

2.4.3抗拉强度和极限应变

图13给出了抗拉强度随试验温度和预设应变率的变化，结果表明：抗拉强度随温度升高而显著减小。但应变率的影响并不显著，这可能是不同工况下极限应变的差异导致的，如图14所示，极限应变随应变率的提高而减小。而在相同的应变水平下，应力均随应变率的提高而增大，如图9所示。

图13 抗拉强度随试验温度和预设应变率变化的对比Fig.13 Comparison of failure stress with test temperature and preset strain rate

3 本构关系及试验验证

3.1 G’SELL 模型及参数标定

图14 极限应变随试验温度和预设应变率变化的对比Fig.14 Comparison of failure strain with test temperature and preset strain rate

G’SELL 模型是适用于固相聚合物的经验型动态本构关系[14]。该模型基于对固相聚合物试验数据的分析，将其力学响应归结为粘弹性和塑性共同作用的结果，且这两个因素是相互独立的。此外，G’SELL模型假设材料的粘弹性只受应变影响，而材料的塑性发展是应变和应变率的共同作用的结果。G’SELL 本构关系表达为：

式中：比例因子为K；粘性参数为 ϖ；应变强化系数为h；应变率系数为m；温度系数为a，共5个模型参数。基于本文试验数据，标定模型参数列于表3。

表3 本构关系参数Table 3 Parameters of constitutive relationship

3.2 本构关系与已有试验的对比

为验证表3所给本构模型参数的有效性，图15分别对比了本文及已有文献[3,8]中的试验应力-应变曲线和按表3 所给参数预测的本构关系曲线，可以发现吻合良好。

4 用户子程序的实现及验证

考虑到通用软件的材料模型库没有包括G’SELL模型，为将第3节给出的本构关系应用于数值分析，本文基于LS-DYNA 平台开发了材料本构关系的用户子程序。

4.1 基于弹性张量的应力补偿更新算法

图15 模型预测结果与试验结果的比较Fig.15 Comparison between predicted results and test results

图16 应力补偿更新算法Fig.16 Stresscompensation method

基于应力补偿更新算法，应力更新步骤为：1)计算试探应力；2)根据Mises准则判断是否屈服；3)若屈服，则计算塑性应变增量，然后在试探应力中减去塑性应变增量对应的应力增量部分，对试探应力进行负补偿。具体步骤阐述如下：根据广义胡克定律，各向同性材料的应力-应变关系表示为：

同时，下一增量步的等效塑性应变和等效塑性应变率均可得出。

4.2 数值化步骤

当LS-DYNA 软件材料库的材料模型不能满足用户需求时，可采用用户自定义子程序自定义材料的本构，并在K 文件中使用关键字*MAT_USER_DEFINED_MATERIAL_MODELS进行调用。LSDYNA 主程序在t+Δt时，传递给用户子程序t时刻的应变张量 σt，应变增量∆εt+Δt，以及状态变量，要求用户子程序给出t+Δt时刻的应力增量σt+Δt，即用户子程序需要对本构方程进行求解，完成应力张量的更新。用户子程序的计算流程如图17所示。

4.3 用户子程序的验证

根据上述应力更新算法，按照LS-DYNA 用户子程序接口规范，基于FORTRAN 语言编写离子型中间膜本构关系的用户子程序。

图17 用户子程序流程图Fig.17 Flowchart of user subroutine

首先，考量用户子程序的可行性，采用对单个单元在单轴加载下的动态响应数值模拟来进行验证。这是因为材料行为应当与结构的形态无关，且单个单元模型几何简单，加载明确，计算积分点少，节约时间且便于检查子程序合理性。

建立SOLID164单元的立方体单元如图18，边长为1000 mm。固定单元下表面的1、2、3和4四个节点的z方向自由度、1节点x方向自由度和2节点y方向自由度。固定上表面5节点x方向自由度，7节点y方向自由度。在上表面的5、6、7和8四个节点施加z方向速度荷载V=0.1 m/s、1 m/s和300 m/s。材料参数取值同表3。

图18 单元模拟的边界和荷载条件/mm Fig.18 Boundary and loading condition of element simulation

图19为20℃和0.1 s-1、1 s-1以及300 s-1下单元数值模拟结果和本文试验结果的对比，由图可见两个结果吻合非常好，进而验证了子程序开发的可行性和正确性。

图19 单元数值试验结果和本文试验结果的对比Fig.19 Comparison between testing resultsand element simulation results

其次，考量该用户子程序在构件模拟应用中的可行性和准确性。对本文进行的单调拉伸试验，调用用户子程序进行数值模拟。试件的左端固支约束，右端为一沿试件轴向施加的速度荷载3 m/s，即标距段的预设应变率为300 s-1，荷载施加时间为0.006 s。采用实体单元SOLID164建立有限元模型，网格划分时，沿宽度方向将整个试件进行32等分，沿长度方向的划分为：两端夹持段20等分、中间标距段200等分、圆弧段25等分、厚度方向3等分。建立的有限元模型及网格划分如图20。