PVC-UH材料准静态应变率下力学行为分析与改进唯象本构模型研究

本研究针对高性能未增塑聚氯乙烯(PVC-UH)在工程应用中的力学性能不足问题，通过数字图像相关技术(DIC)系统研究了宽范围准静态应变率(0.0003-0.167 s-1)下的变形机制，建立了改进的唯象本构模型。研究发现材料参数与应变率呈显著相关性，提出的模型能准确预测不同应变率下的真实应力-应变关系，为PVC-UH管道等承重结构的数值模拟提供了重要理论基础。

　　

随着城市化进程加速，PVC-UH（高性能未增塑聚氯乙烯）管道因其轻质、耐腐蚀和50年超长使用寿命等优势，在供水压力管道等承重结构中广泛应用。然而这种材料的力学性能研究却严重滞后，特别是缺乏系统性的变形失效机制分析和实用化本构模型，导致工程结构设计和安全评估缺乏可靠依据。当管道遭遇地震荷载、水锤效应或车辆冲击等复杂工况时，材料在不同应变率下的响应特性直接关系到结构安全性，这使得开展PVC-UH多应变率力学研究具有重要工程意义。

广西大学土木建筑工程学院的研究团队在《Polymer Testing》发表的研究中，创新性地采用数字图像相关技术(DIC)结合万能试验机，对PVC-UH试样进行了0.0003-0.167 s^-1宽范围准静态应变率的单轴拉伸测试。通过实时捕捉颈缩区域的应变场变化，建立了考虑体积不变假设的真实应力-应变计算方法，并基于玻璃态半晶树脂材料的统一唯象模型框架，开发了改进的本构方程。

关键技术方法包括：1）基于GB/T 1040.2-2022标准制备1B型哑铃试样；2）采用50kN机电万能试验机进行多应变率拉伸，配合DIC系统实现非接触式全场应变测量；3）通过颈缩区域平均横向应变计算真实应力应变；4）应用Lavenberg-Marquardt优化算法进行本构模型参数拟合。

研究结果揭示：

1. 变形失效机制方面：低应变率下PVC-UH呈现弹性阶段、非线性塑性阶段、下降段、冷拉水平段和断裂前上升段五阶段特征，随应变率升高阶段数量减少。真实应力-应变曲线显示典型玻璃态聚合物的线性弹性、非线性弹塑性、软化、硬化四阶段，断裂形貌从韧性断裂的纤维束结构向脆性断裂的颗粒状结构转变。

2. 参数率相关性分析：弹性模量(2885MPa)和颈缩截面积不受应变率影响，而屈服强度、屈服应变和断裂强度与应变率对数呈线性正相关。断裂伸长率随横梁速度呈指数下降，在100 mm/min后稳定于42%阈值，验证了分子链重排的时滞效应。

3. 本构模型建立：改进的唯象模型通过引入参数α=0.8593和应变率修正项，准确描述了不同应变率下的真实应力-应变关系。模型包含8个实验标定参数，其中关键参数C₁与ln(ε?)呈线性关系，在低应变率下预测精度显著优于高应变率工况。

该研究首次系统揭示了PVC-UH在准静态加载条件下的率相关变形机制，建立的改进本构模型为管道冲击仿真、结构安全评估提供了关键材料参数。虽然模型对高应变率软化阶段的描述存在局限，但其数学简洁性和工程适用性显著优于复杂的物理模型，填补了该材料本构关系研究的空白。未来可结合动态加载实验进一步扩展模型适用应变率范围，为PVC-UH结构设计规范提供更全面的理论基础。