静荷载作用下聚乙烯管材的粘弹塑性模型及流线扩散数值分析

李月丽，袁盛峰

(铜陵学院 机械工程学院，安徽 合肥 244061)

聚乙烯是一种工业常备的高分子材料，由其制成的产品种类繁多应用广泛。如聚乙烯管材因其轻质、耐腐蚀、柔性好、价格低等优点在各类管材中占有极高的比重。[1]在水下、地下、地面等各种工程应用时，聚乙烯管材常常需要承受一定的静荷载。而荷载作用增加了管材的形变，随着服役时间的增长更是会出现蠕变、应力松弛等力学现象，引发管材的裂纹扩展或是断裂。因此，研究其本构力学模型对预测聚乙烯管材的服役状态及工程应用有着重要的意义。

文章首先以应力松弛试验确定了适用于聚乙烯管材的Maxwell模型，随后通过流线扩散有限元方法(Streamline Diffusion Method，简称 SDM法)计算三维情形下聚乙烯管材受静荷载作用时的应力应变状态。同时以Prony级数对其进行分析以验证SDM法及其本构模型的准确性。

1 聚乙烯管材的粘弹性特征及应力松弛试验

1.1 聚乙烯管材的粘弹性特征

聚乙烯管材属于粘弹性材料。因其分子特性，聚乙烯呈现出弹性变形及粘性流动等力学特征。这一特点使得聚乙烯材料的应力应变对外加荷载响应并不敏感。因此聚乙烯管材可以在一定程度上抵抗突然施加的外力。[7-9]然而随着时间的增加，与其它粘弹性材料一样，聚乙烯管材会出现蠕变或是应力松弛现象。

蠕变是指材料在恒定荷载下变形随时间增长而不断增加的现象；应力松弛是指变形量恒定时应力随时间增长而不断释放的现象。……