固体浮力材料的力学性能研究

• 作 者: 应枭
• 出 处: 大连理工大学
• 发表日期: 2019年01期
• 关键词: 固体浮力材料 力学性能 细观力学 内聚力模型 数值模拟

固体浮力材料(SBM)是一种在海洋工程装备上广泛采用的结构材料,由于其具备较低的密度、优良的力学性能和低吸水率等优点,因此在海洋资源勘探等工程实践中发挥着不可或缺的作用。SBM使用环境特殊,在位运行工况复杂,因此研究其力学性能无论在理论分析还是在工程应用上都具有很大的意义。本文以玻璃微珠/环氧树脂为研究对象,用实验测试和理论计算方法分析空心玻璃微珠(HGM)含量对SBM力学性能的影响;基于细观力学方法,构建SBM代表体积单元模型,通过模拟计算,预测材料的弹性模量、泊松比和屈服应力,并采用内聚力模型对SBM损伤失效过程进行数值模拟。论文得出主要结论如下:(1)SBM的密度随着微珠含量的增加而降低。在HGM含量小于60vol%时,SBM的吸水率随着HGM含量增加而不断减小,但当HGM含量超过60vol%时,材料的吸水率显著增大,而且吸水速率随着时间的延长在降低。(2)随着HGM含量增加,SBM的拉伸强度和抗压强度呈现先增大后下降的趋势,当微珠含量为30vol%时,材料的拉伸强度达到最大值36.48 MPa,当微珠含量为50vol%时,材料的抗压强度达到最大值156.25 MPa。(3)数值模拟了微珠含量、壁厚和粒径分布对SBM力学性能的影响,仿真结果表明,随着HGM含量的增加,SBM的弹性模量和屈服应力不断增加,但泊松比逐渐降低。考虑微珠粒径对数正态分布代表体积单元模型预测的弹性模量比三维随机代表体积单元模型预测结果更为接近实验数据。(4)基于双线性内聚力模型的SBM损伤失效过程可以分为三个阶段:界面线弹性承载阶段、界面损伤初始阶段和界面损伤累积阶段。在界面线弹性承载阶段,微珠和基体有效连接,应力可以充分传递;在界面损伤初始阶段,微珠与基体之间开始发生脱粘,材料出现损伤;在界面损伤累积阶段,界面随位移增加逐步损伤软化,应力不能有效传递。