CN109192253B - 一种变温度场中高分子材料热分析计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变温度场中高分子材料热分析计算方法及装置，所述方法包括：分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。本发明通能够实现高分子材料在缓慢变温条件下的老化实验研究，获得的数据具有参考价值，整体操作具有可行性。
Description
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，更具体地，涉及一种变温度场中高分子材料热分析计算方法及装置。
背景技术
老化作为一种普遍的物理、化学现象一直存在于各类材料中，而高分子材料的老化则是影响其性能是否安全可靠的重要问题。高分子材料易受热作用机制的影响加速高分子化合物的降解，改变其微观结构，宏观上体现为物理机械性能的变化。
目前研究恒温条件下对高分子材料老化的影响已有成熟的方法，其中最常见的是加速老化试验法和计算机模拟法，但是，试验温度变化较为缓慢，测试过程干扰因素众多易导致其实际测量结果偏差巨大，对该条件下老化所造成的高分子材料力学性能的测试难以直接实现。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种变温度场中高分子材料热分析计算方法及装置。
根据本发明的第一个方面，提供一种变温度场中高分子材料热分析计算方法，包括：
分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；
建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；
将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。
根据本发明的第二个方面，提供一种变温度场中高分子材料热分析计算装置，包括：
分析模块，用于分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；
仿真模块，用于建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；
计算模块，用于将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。
根据本发明的第三个方面，提供一种电子设备，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行上述第一方面的各种可能的实现方式中任一种实现方式所提供的方法。
根据本发明的第四个方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机能够执行上述第一方面的各种可能的实现方式中任一种实现方式所提供的方法。
本发明提出的一种变温度场中高分子材料热分析计算方法及装置，通过理论推导和实验数据支持，获得高分子的性能变化指标与老化之间的确定关系，能够实现高分子材料在缓慢变温条件下的老化实验研究，获得的数据具有参考价值，整体操作具有可行性。
附图说明
图1为本发明实施例的一种变温度场中高分子材料热分析计算方法的流程示意图；
图2为根据本发明实施例提供的钚材料本身自衰变功率随时间变化的示意图；
图3为根据本发明实施例提供的拉伸强度指标随老化时间的变化曲线示意图；
图4为根据本发明实施例提供的一种变温度场中高分子材料热分析计算装置的功能框图；
图5为根据本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1示出了本发明实施例的一种变温度场中高分子材料热分析计算方法的流程示意图，包括：
S1、分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程。
具体地，首先根据高聚物结构与性能关系的Dakin理论，获得高分子材料热损伤性能指标的变化与时间之间的一般关系；然后基于Arrhenius公式获得所述高分子材料的老化速率系数与热力学温度的关系；在缓慢变温情况下，确定热力学温度与老化时间之间的关系，从而结合老化速率系数与热力学温度的关系可以得到老化速率系数与老化时间之间的关系，将高分子材料热损伤性能指标的变化与时间之间的一般关系转换为热损伤性能指标的变化只与老化时间相关，从而获得高分子材料的性能指标变化方程。
S2、建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系。
需要说明的是，模拟实验模型需要考虑变温度场情况，模拟高分子材料在实际的老化过程中温度缓慢变化的情况。有限元方法是指一种为求解偏微分方程问题的近似解的数值技术，将模型离散化分解为有限个单元，单元之间靠节点连接，选择节点位移和力作为未知量求解。进行有限元分析的时候很难把研究对象的所有细节都包括进来，通常在研究对象的几何形状、材料特性和边界条件这三个方面做适当的简化。利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系。
S3、将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。
最后，将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。
本发明实施例提供的一种变温度场中高分子材料热分析计算方法，通过理论推导和实验数据支持，获得高分子的性能变化指标与老化之间的确定关系，能够实现高分子材料在缓慢变温条件下的老化实验研究，获得的数据具有参考价值，整体操作具有可行性。
基于上述实施例，步骤S1分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程，具体为：
根据高聚物结构与性能关系的Dakin理论，获得高分子材料热损伤性能指标的变化与时间的关系；
基于Arrhenius公式获得所述高分子材料的老化速率系数与热力学温度的关系；
确定变温度场条件下所述高分子材料的热力学温度与老化时间的关系；
将所述老化速率系数与热力学温度的关系以及热力学温度与老化时间的关系代入所述高分子材料的热损伤性能指标的变化与时间的关系中，获得所述高分子材料的性能指标变化方程。
具体地，首先，根据高聚物结构与性能关系的Dakin理论，高分子化合物在老化过程中，性能指标的变化P与时间t的关系可以用式(1)来描述：
式(1)中，P为性能指标的变化，即任意时刻性能与老化前的参数比值；t为老化时间；K是老化速率系数，与热力学温度有关；A为指前因子；α为与老化指标相关的常数。
由式(1)对时间t求导，得到性能指标的变化P随时间的变化率，见式(2)。
然后，按照高分子材料性能与老化时间的关系，可求得老化速率系数K，在一定范围内老化速率常数K与热力学温度T之间的关系符合Arrhenius公式，有：
其中，T为热力学温度，单位为K；E为表观活化能，单位为kJ·mol-1；Z为指前因子，单位为s-1；R为气体常数，为8.314J·mol-1·K-1。
再者，确定变温度场条件下所述高分子材料的热力学温度与老化时间的关系：
假定热力学温度T与老化时间t之间存在线性关系，如式(4)所示：
T＝a+bt (4)
其中，a,b均为与时间无关的常数。
然后根据所述老化速率系数与热力学温度的关系以及热力学温度与老化时间的关系，得到老化速率系数与老化时间之间的关系:
即将式(4)代入(3)得到老化速率系数K与老化时间t的关系为：
式(5)对时间t求导得到老化速率系数K对时间的导数：
最后，将式(5)和(6)代入式(2)可以得到性能指标的变化P对时间t的变化率，如式(7)所示。
式(7)中性能指标的变化P为时间t的函数，在其它参数已知的条件下可以预测高分子材料性能随时间的变化规律。
基于上述实施例，步骤S2建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系，具体为：
选择所述高分子材料的模拟试样，建立变温度场模拟试样网格模型，并确定所述变温度场模拟试样网格模型的边界参数；
对所述变温度场模拟试样网格模型进行热稳态分析和热瞬态分析；
采用有限元分析方法对所述变温度场模拟试样网格模型中的实验参数进行分段线性拟合，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系。
需要说明的是，聚氨酯作为一种高分子材料，因其较低的热导率以及优异的力学性能、阻尼性能、粘接性能和耐磨性能，广泛用于机动车辆、国防建设等领域，但其在热老化情况下使用性能劣化，即具有高分子材料受热作用机制影响的典型特点，因此，在本发明实施例中，以聚氨酯材料为研究对象，详细说明步骤S2的实现过程。
本发明实施例借助海军工程大学的加速热老化试验相关实验数据，对聚氨酯材料的拉伸强度的力学性能进行热老化试验，老化速率常数K与热力学温度T之间的关系有如下公式：
本发明实施例结合公式(8)中参数，估算在温度随时间变化的条件下，聚氨酯材料拉伸性能指标P与老化时间t的变化规律。
具体地，确定模拟试样为由聚氨酯包裹的核材料模型。为使模拟实验更贴近实际，本发明实施例建立的模型数据借鉴某研究所研究武器级钚的模型数据，其中，核材料球模型的直径为φ80mm，聚氨酯球壳模型的内直径为φ80mm，外直径为φ88mm。根据上述模型数据建立变温度场模拟试样网格模型。
设定模型边界条件：模拟将试样在室温条件(25℃)下进行，查阅资料得聚氨酯热导率0.1W·m-1·K-1，钚热导率4.2W·m-1·K-1，设定核材料初始温度25℃，外壳外侧空气对流系数10W·m-2·K-1，核材料自衰变热功率2.40W/kg，武器级钚密度19.86g/cm3，计算得生热功率47664W/m3，进行老化模拟试验。
选择合适的模型分析器进行有限元分析。因本发明实施例所采用模型为规则球形模型，无需更改网格类型，调整其网格相关性中心(Relevance Center)为中等(Medium)即可。
对所述变温度场模拟试样网格模型进行热稳态分析和热瞬态分析：
将所设定数值带入网格模型，选择热稳态分析器分析其初始状态。然后，在此基础上进行热瞬态分析，设定计算终止时间为50h，平均时间步长100s，最小时间步长60s，最大时间步长120s，经瞬态模拟实验发现内部各点从298.15K逐渐升高，升温速率逐渐降低，时间经过35000s，约9.7h，各点的温度趋于稳定，由该分析可知：模型内部传热稳定时间相对于其贮存期很短，可以认为其在贮存期内均处于稳态。
采用有限元分析方法对所述变温度场模拟试样网格模型中的实验参数进行分段线性拟合，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系：
由左应红等人进行的钚材料衰变放热功率实验得知1kg钚材料本身自衰变功率随时间变化如图2所示，前60年增长速度较快，60-70年开始变缓，到70年达到顶峰为2.55J/s，此后缓慢下降，变化幅度较为平缓，因此本发明实施例选取前70年老化数据进行计算，通过将图2前70年数据中的能较好反应该曲线趋势的部分参数带入变温度场模拟试样网格模型中，采用有限元的方法进行计算，并对实验参数进行分段线性拟合，得出如下公式(9)：
将式(9)单位统一到天，得式(10)
根据式(8)以及α，A等参数的拟合结果，将α，A，K等参数的拟合结果和TK的分段表达式代入式(7)，则dP/dt仅为老化时间的函数，由此可以求解拉伸强度P与老虎时间t的关系。
式(7)描述了聚氨酯材料性能变化指标P与老化时间t的关系。将式(8)中聚氨酯材料拉伸强度指标的相关拟合参数代入式(7)，得到聚氨酯材料拉伸强度指标与老化时间的关系，如式(11)所示。
式中，a,b的值在式(9)中以分段函数的形式给出。
随着老化时间的延长，老化后的拉伸性能指标可以表示为初始的指标减去指标的变化量，如式(12)所示。
将(11)式代入(12)可以获得拉伸强度指标P随时间t的变化规律。该式形式复杂，利用Matlab程序求解。表1列出了不同时间所对应的拉伸强度指标值，根据表1数据绘制了拉伸强度指标P随老化时间t的变化曲线，如图3所示。
表1拉伸强度指标变化
| t(d) | P | t(d) | P |
| 100 | 0.948 | 3000 | 0.698 |
| 200 | 0.921 | 10000 | 0.503 |
| 300 | 0.903 | 20000 | 0.395 |
| 1000 | 0.816 | 21900 | 0.376 |
| 2000 | 0.734 | 25500 | 0.354 |
由图3可得知，在最初的3-10年时间，聚氨酯材料的拉伸强度随老化时间变长下降较快，大致呈一次函数，老化导致其拉伸性能恶化为初始性能的70％左右；在第10-70年时间拉伸强度随老化时间变长下降速率变缓，并趋于平缓，在第70年拉伸性能受老化影响为初始性能35％左右。该试验证明变温条件下，长时间贮存的高分子材料受老化影响其拉伸强度变化较大，材料经长时间贮存后是否可继续使用需要依情况而定。
根据本发明的另一个方面，本发明实施例还提供一种变温度场中高分子材料热分析计算装置，参见图4，图4示出了该装置的功能框图，该装置用于实现在前述各实施例中所述的变温度场中高分子材料热分析计算方法。因此，在前述各实施例中的方法中的描述和定义，可以用于本发明实施例中各执行模块的理解。
如图4所示，该装置包括：分析模块100、仿真模块200和计算模块300，其中，
分析模块100，用于分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；
仿真模块200，用于建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；
计算模块300，用于将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。
本发明实施例提供的一种变温度场中高分子材料热分析计算装置，通过理论推导和实验数据支持，获得高分子的性能变化指标与老化之间的确定关系，能够实现高分子材料在缓慢变温条件下的老化实验研究，获得的数据具有参考价值，整体操作具有可行性。
基于上述实施例，分析模块100具体用于：
根据高聚物结构与性能关系的Dakin理论，获得高分子材料热损伤性能指标的变化与时间的关系；
基于Arrhenius公式获得所述高分子材料的老化速率系数与热力学温度的关系；
确定变温度场条件下所述高分子材料的热力学温度与老化时间的关系；
将所述老化速率系数与热力学温度的关系以及热力学温度与老化时间的关系代入所述高分子材料的热损伤性能指标的变化与时间的关系中，获得所述高分子材料的性能指标变化方程。
基于上述实施例，仿真模块200具体用于：
选择所述高分子材料的模拟试样，建立变温度场模拟试样网格模型，并确定所述变温度场模拟试样网格模型的边界参数；
对所述变温度场模拟试样网格模型进行热稳态分析和热瞬态分析；
采用有限元分析方法对所述变温度场模拟试样网格模型中的实验参数进行分段线性拟合，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系。
图5示出了本发明实施例提供的电子设备的结构示意图，如图5所示，处理器(processor)501、存储器(memory)502和总线503；
其中，处理器501及存储器502分别通过总线503完成相互间的通信；处理器501用于调用存储器502中的程序指令，以执行上述实施例所提供的一种变温度场中高分子材料热分析计算方法，例如包括：分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。
本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供一种变温度场中高分子材料热分析计算方法，例如包括：分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种变温度场中高分子材料热分析计算方法，其特征在于，包括：
分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随老化时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；
建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；
将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系；
其中，所述分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随老化时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程的步骤，具体为：
根据高聚物结构与性能关系的Dakin理论，获得高分子材料热损伤性能指标的变化与老化时间的关系；
基于Arrhenius公式获得所述高分子材料的老化速率系数与热力学温度的关系；
确定变温度场条件下所述高分子材料的热力学温度与老化时间的关系；
将所述老化速率系数与热力学温度的关系以及热力学温度与老化时间的关系代入所述高分子材料热损伤性能指标的变化与老化时间的关系中，获得所述高分子材料的性能指标变化方程。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系的步骤，具体为：
选择所述高分子材料的模拟试样，建立变温度场模拟试样网格模型，并确定所述变温度场模拟试样网格模型的边界参数；
对所述变温度场模拟试样网格模型进行热稳态分析和热瞬态分析；
采用有限元分析方法对所述变温度场模拟试样网格模型中的实验参数进行分段线性拟合，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高分子材料为聚氨酯材料。
4.一种变温度场中高分子材料热分析计算装置，其特征在于，包括：
分析模块，用于分析高分子材料在老化过程中热损伤性能指标随老化时间变化的规律，建立所述高分子材料的性能指标变化方程；
仿真模块，用于建立变温度场中所述高分子材料的模拟实验模型，并利用有限元分析方法对所述模拟实验模型进行数值求解，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系；
计算模块，用于将所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系代入所述高分子材料的性能指标变化方程，获得所述高分子材料的热损伤性能指标与老化时间之间的定量关系；
其中，所述分析模块具体用于：
根据高聚物结构与性能关系的Dakin理论，获得高分子材料热损伤性能指标的变化与老化时间的关系；
基于Arrhenius公式获得所述高分子材料的老化速率系数与热力学温度的关系；
确定变温度场条件下所述高分子材料的热力学温度与老化时间的关系；
将所述老化速率系数与热力学温度的关系以及热力学温度与老化时间的关系代入所述高分子材料热损伤性能指标的变化与老化时间的关系中，获得所述高分子材料的性能指标变化方程。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述仿真模块具体用于：
选择所述高分子材料的模拟试样，建立变温度场模拟试样网格模型，并确定所述变温度场模拟试样网格模型的边界参数；
对所述变温度场模拟试样网格模型进行热稳态分析和热瞬态分析；
采用有限元分析方法对所述变温度场模拟试样网格模型中的实验参数进行分段线性拟合，获得所述高分子材料的热力学温度与老化时间之间的数值关系。
6.一种电子设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与所述处理器通信连接的至少一个存储器，其中：
所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如权利要求1至3任一所述的方法。
7.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行如权利要求1至3任一所述的方法。
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