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1、橡胶的物理特性,第1讲, Dassault Systmes, 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, Dassault Systmes, 2008,Introduction to Abaqus/CAE,L1.4,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）在缠绕点处创建 链之间的化学键我们称这些化学
2、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。,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（
3、相对于玻璃转变温度glass transition temperature ），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 Mu
4、llins 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）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（
5、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
6、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。 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。,
