热塑性聚合物力学行为的耦合粘塑性-损伤模型构建及其温度效应研究

本文创新性地构建了基于Eindhoven Glassy Polymer (EGP)框架的热力学耦合损伤模型，通过引入温度依赖的粘塑性本构方程和连续损伤力学(CDM)理论，解决了传统模型在非等温条件下预测聚合物失效的局限性。模型采用UMAT子程序在AbaQUS中实现，成功模拟了单轴压缩、循环载荷、蠕变及穿孔板拉伸等复杂工况，为热塑性聚合物在汽车/电子等工业应用中的可靠性设计提供了新工具。

　　

^亮点成果

^本构模型

本节将多模式弹粘塑性本构方程拓展至连续损伤力学(CDM)框架，建立温度依赖的力学预测模型。基于不可逆热力学定律，该模型通过应力相关粘度的流体力学表征（参考[32]），创新性地将温度效应融入EGP模型的能量守恒体系。

^数值实现

通过ABAQUS的UMAT子程序，模型在时间步长t_n+1内完成应力状态迭代计算。其中，等效偏应力的求解需通过应力偏移因子的动态校准，这种"套娃式"迭代算法显著提升了复杂载荷下的收敛效率。

^{结果与讨论}

通过Abaqus仿真验证了模型预测能力：单元素测试成功复现了热塑性聚合物在压缩-循环-蠕变复合载荷下的"记忆效应"；穿孔板拉伸模拟（图13）精准捕获了孔洞周边的应力集中现象，其应变场分布与Liang等[70]的实验数据误差<5%。

^{穿孔板拉伸模拟}

带孔结构的非均匀变形是检验模型几何适应性的试金石。如图13所示，孔洞边缘萌生的"蝴蝶形"损伤云图生动展示了局部屈服如何引发宏观失效——这种"由点及面"的破坏模式预测能力，使其在工程缺陷评估中独具价值。

^镦粗试验

圆柱试样的压缩仿真完美再现了实验中的"桶形效应"（barreling effect）。模型不仅预测了45°剪切带的形成轨迹，更通过损伤变量D的时空演化，揭示了温度升高如何加速桶腰部位的微裂纹成核——这对聚合物锻造工艺优化具有指导意义。

^{圆板成型工艺}

图19展示的5mm球头压痕仿真堪称"温度-变形"双场耦合的典范：0.1mm薄板在高温下呈现"荷叶边"褶皱，而低温工况则出现脆性放射状裂纹。这种"一材多相"的预测能力，使其在注塑成型工艺仿真中潜力巨大。

^结论

本模型像"分子动力学显微镜"般精准捕捉了温度对聚合物粘弹性的调控机制：当温度上升时，链段运动能力增强导致"分子滑移阈值"降低，这种微观响应被转化为宏观的应力软化系数，最终通过CDM框架实现从纳米级运动到毫米级破坏的跨尺度预测。