CN103760023B - 一种高柔性绝缘隔热材料受力变形建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高柔性绝缘隔热材料受力变形建模方法，包括以下步骤：(1)压力试验机上进行高柔性绝缘隔热材料的标准单向压缩试验；(2)绘制应力‑应变本构曲线，进行曲线分析；(3)选择合适的本构方程进行建模，拟合确定高柔性绝缘隔热材料的参数；(4)依据内插外推方法，计算高柔性绝缘隔热材料受力状态的变形量；(5)工程判断，如果第四步计算结果不符合工程实际，则返回第二步，重新分析曲线，选择函数，识别材料参数，进行计算；如果符合工程实际，进入下一步；(6)工程应用及推广，为高柔性绝缘隔热材料受力变形提供一种工程化建模方法。

Description

一种高柔性绝缘隔热材料受力变形建模方法

技术领域

本发明涉及一种高柔性绝缘隔热材料常温、高温受力变形计算方法，具体而言，涉及高柔性绝缘隔热材料的单向压缩试验，材料本构建模，材料参数验证及工程应用，属于材料加工技术领域。

背景技术

高柔性绝缘隔热材料由于具有高温稳定、柔性随变、绝缘、隔热等诸多优点，因此，在材料先进温热成形中作为垫层被广泛使用。尤其是在电流辅助成形时，由于要绝缘隔热坯料和模具，经常采用高柔性绝缘隔热材料。但是，由于这种材料的高柔性，材料受力与变形关系复杂，呈现高度非线性、卸载能损等特点；并且材料受力变形量大，造成受力垫层材料对成形零件尺寸影响大的特点。同时，垫层材料在使用过程中，电接触、热影响、载荷耦合作用，材料使役工况异常复杂，因此，确定垫层变形对成形零件尺寸的影响规律变得非常困难。

发明内容

本发明的目的是为了建立高柔性绝缘隔热材料受力变形的本构模型，并将其应用推广。

本发明需要建立受力垫层变形对成形零件尺寸的影响规律，通过单向压缩试验、本构建模、参数识别、拟合仿真、对比验证等方法，快速确定高柔性绝缘隔热材料的参数，从而建立高柔性绝缘隔热材料的本构模型，定量确定垫层变形对成形零件尺寸的影响。

本发明采用以下技术方案：

(1)针对高柔性绝缘隔热材料，在压力试样机上进行标准压缩试验，获取材料的单向压缩数据；

(2)根据步骤(1)获得的单向压缩数据，绘制材料的压力-变形本构曲线，并就曲线特征进行分析；

(3)根据曲线特征，选择合适的函数

σ＝σ₀+A₁exp(ε/t₁)+A₂exp(ε/t₂)

作为本构方程，进行材料建模；采用“试错法”，拟合高柔性绝缘隔热材料的参数；

(4)将步骤(3)确定的材料参数，带入步骤(3)的本构方程，然后采用内插外推方法，基于：

${\mathrm{\σ}}^{\mathrm{ins}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{she}}\sin \mathrm{\θ}$

计算高柔性绝缘隔热材料受力状态的变形量；

(5)工程判断。如果步骤(4)的计算结果不符合工程实际，则返回步骤(2)，重新分析曲线，选择函数，识别材料参数，进行计算；如果符合工程实际，进入下一步；

(6)建立高柔性绝缘隔热材料的本构模型，定量确定垫层变形对成形零件尺寸的影响，并将其进行工程应用及推广，为高柔性绝缘隔热材料受力变形提供一种工程化建模方法。

与现有技术相比，本方法的优点在于：采用了弹塑性力学本构建模的思想，对高柔性绝缘隔热材料模型化，采用本构建模、参数识别、拟合仿真、对比验证等方法，快速确定高柔性绝缘隔热材料的参数，建立高柔性绝缘隔热材料的本构模型，定量确定垫层变形对成形零件尺寸的影响。该工程方法具有快速化、低成本、简便易行的特点。

附图说明

图1为一种高柔性绝缘隔热材料受力变形建模方法的流程图；

图2为高柔性绝缘隔热材料标准单向压缩试验图：

(a)为压缩试样图；

(b)为压缩试验机夹头图；

图3为高柔性绝缘隔热材料在一个压缩循环周期内的应力应变曲线；

图4为高柔性绝缘隔热材料本构方程拟合结果和试验结果的对比：

(a)加载阶段的对比结果；

(b)卸载阶段的对比结果；

图5为高柔性绝缘隔热材料受压后等效模面示意图：

(a)高柔性绝缘隔热材料受压示意图；

(b)等效模面示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-5和具体实例对本发明作详细说明。

本发明提供了高柔性绝缘隔热材料受力变形工程解析方法，其流程如图1所示。本发明步骤如下：

步骤1：高柔性绝缘隔热材料选择Kaowool Paper，压缩实验设备采用Ametek公司LR30K试验机，压缩试验标准遵循GB/T7757-93。压缩试样厚度为6mm，试样直径Φ＝52.5mm，见图2(a)。压缩试验的速度控制为10±2mm/min，压缩试验工作部分见图2(b)。

步骤2：借助绘图Origin软件，根据单向压缩试验数据绘制Kaowool材料的应力应变曲线，见图3，其中，横坐标表示工程应变，纵坐标表示工程应力。

分析图3，可以看出Kaowool材料具有如下特性：

①工程应力在[0，0.7]范围内没有大的变化，一直维持在低应力水平；

②工程应力在[0.7，0.98]范围内急剧变化，呈现剧烈的单调递增趋势；

③材料的加载曲线与卸载曲线并不相同：加载阶段的弹性模量小于卸载阶段的弹性模量，因此，在伪弹性阶段，一部分弹性能转变成塑性能，材料发生了塑性变形，这是与金属材料变形的显著不同之处；

④卸载后材料的塑性变形工程应变约为0.5。

Kaowool Paper(一种陶瓷纤维纸)材料的独特变形特性，决定了其本构不同于橡胶垫层等超弹性材料的本构模型。截止目前为止，由于陶瓷纤维纸使用工况的复杂性，材料性能的复杂性，陶瓷纤维纸在加载、卸载时的应力应变曲线并不重合，加载做功导致卸载后材料发生了塑性变形，因此其本构关系更为复杂，所以研究陶瓷纤维纸本构模型的文献很少。仅发现Ramasubramanian M.K.基于材料纤维方向与加工方向之间的夹角建立了一种纤维纸和其它的几种编织材料的卸载行为的本构模型。

步骤3：根据本构曲线非线性递增及递减特征，本发明采用二次增长型指数函数拟合Kaowool材料的本构关系，拟合函数形式见式(1)。依据经验，逐一改变参数值，采用“试错法”拟合材料参数。最后，方程参数拟合结果见表1，方程曲线拟合结果见图4。

σ＝σ0+A₁exp(ε/t₁)+A₂exp(ε/t₂) (1)

表1 Kaowool材料的二次指数型本构方程参数拟合结果

阶段

σ0

A1

t1

A2

t2

R-Square

加载阶段

-0.0223

1.585E-4

9.174

1.585E-4

9.174

0.998

卸载阶段

-0.0507

2.061E-8

4.941

2.061E-8

4.941

0.986

步骤4：将步骤3中表1确定的材料参数带入式(1)本构函数，得到材料的本构方程；然后依据内插外推方法，可以计算高柔性绝缘隔热材料在板料和模具工作面之间任意压应力作用的变形。下面计算绝缘材料在最大工作载荷下的变形量，其中假设材料稳定；最大工作载荷(σ_θ)为200MPa，Kaowool材料承受压力示意图见图5(a)。Kaowool材料承受载荷计算如下：

${\mathrm{\σ}}^{\mathrm{ins}}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{she}}\sin \mathrm{\θ}$

Kaowool材料承受的最大载荷为： ${{\mathrm{\σ}}^{\mathrm{ins}}|}_{\max }={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^{\mathrm{she}}{\sin \mathrm{\θ}|}_{\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}}=100\left(\mathrm{MPa}\right).$

其中，σ^ins为绝缘材料承受的压应力；为板料在拉形周向承受的拉应力；θ为板料内一点的与竖直对称中心之间的夹角；α为夹角θ的最大值。

步骤5：工程验证。将最大压力载荷100MPa代入Kaowool材料的加载阶段的本构方程，经过外推计算，ε＝0.965；同时，考虑模具材料(Ni7N)和TC4材料的缩尺系数为6‰，定义经过Kaowool材料承受最大压力时进行径向厚度补偿和考虑模具缩尺补偿的工作表面为等效模面，见图3-5(b)。经过补偿，等效模具的半径为：r_e＝r_d+δ|_min+ΔL≈593.48+(1-0.965)×6+593.48×6‰≈597mm。等效模面示意图见图5(b)。经过有限元和试验验证，上述等效模面半径符合工程实际。

步骤6：推广应用。至此，本发明计算了高柔性绝缘隔热材料对模具半径的影响；同时，为便于工程化应用，对高柔性绝缘隔热材料进行如下假设：①假设绝缘材料稳定，用常温下的本构关系的代替高温下的本构关系；事实上，由于高柔性绝缘隔热材料的高温稳定性，本构关系引起的误差趋近于零；②为简化计算模型，对高柔性绝缘隔热材料厚度变化引起的模具半径变化进行补偿，用等效模面作为理论计算和有限元分析的依据；③等效模面简化为刚性工作面，其计算还需考虑坯料和模具材料的缩尺系数。

需要指出的是，以上所述，仅为本发明的具体实施实例，实例中所使用的数据和图表仅用于说明本方法的具体思路。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，可轻易想到的变化或同等替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种高柔性绝缘隔热材料受力变形建模方法，其特征在于步骤为：

(1)针对高柔性绝缘隔热材料，在材料试样机上进行标准常温单向压缩试验，获取材料的单向压缩试验数据；

(2)根据步骤(1)获得的单向压缩试验数据，绘制材料的压力-变形本构曲线，并就曲线进行分析；

(3)根据曲线特征，选择函数

σ＝σ₀+A₁exp(ε/t₁)+A₂exp(ε/t₂)

进行建模，采用“试错法”，拟合高柔性绝缘隔热材料的参数σ₀、A₁、t₁、A₂、t₂，其中σ为应力，ε为应变；

(4)将步骤(3)确定的材料参数，带入步骤(3)的函数，确定材料的本构方程；然后依据内插外推方法，利用确定的本构方程；依据

${\mathrm{\σ}}^{ins}={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\θ}}^{she}sin\mathrm{\θ}$

计算高柔性绝缘隔热材料受力状态的变形量，其中，σ^ins为绝缘材料承受的压应力；为板料在拉形周向承受的拉应力；θ为板料内一点的与竖直对称中心之间的夹角；

(5)工程判断，如果步骤(4)的计算结果不符合工程实际，则返回步骤(2)，重新分析曲线，选择函数，识别材料参数，进行计算；如果符合工程实际，进入下一步；

(6)建立高柔性绝缘隔热材料的本构模型，定量确定垫层变形对成形零件尺寸的影响，并将其进行工程应用及推广，为高柔性绝缘隔热材料受力变形提供一种工程化建模方法；

其中，上述步骤中所述的高柔性绝缘隔热材料是Kaowool Paper、CT 1260 Paper。

2.根据权利要求1所述的一种高柔性绝缘隔热材料受力变形建模方法，其特征在于由于绝缘材料的稳定性，在材料的许可使用温度范围内，可以用常温下的本构关系代替高温下的本构关系。

3.根据权利要求1所述的一种高柔性绝缘隔热材料受力变形建模方法，其特征在于其步骤(3)使用的“试错法”，需要根据一定的经验、规律进行试错，进而迅速确定材料参数。