CN110083970B - 弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法 - Google Patents

弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，步骤包括：确定待仿真弹用高分子材料的损伤量值，设计热老化试验，通过热分析手段求解其反应机理函数；设计加速贮存试验，通过加速贮存试验数据求解出指前因子、反应活化能和修正系数；构建高分子材料累积损伤模型，将该模型存储到仿真软件模型库，调用模型并在仿真软件的数据库中选择高分子材料结构类型、加载方式、加载时段或时间等参数，输入环境载荷，加载进仿真软件，利用仿真软件对高分子材料累积损伤进行计算和可视化展示。采用本发明可通过虚拟手段查找高分子材料及其构件可能出现环境适应性问题的部位，可以极大的减小产品研制风险，缩短研制周期，降低研制成本。

Description

弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法
技术领域
本发明涉及高分子材料寿命仿真技术，具体涉及弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法。
背景技术
随着军事科技的飞速发展，弹药的材料、结构和组成越来越复杂，大量新材料、新工艺的应用使弹药在贮存过程中出现了较多的问题，其中，弹用高分子材料是影响弹药寿命的主要“短板”，而弹用高分子材料的损伤过程作为评价弹药寿命的重要依据。因此，开发一种弹用高分子材料贮存过程中的累积损伤评估方法，用于弹用高分子材料在设计、研制过程中环境适应性设计和寿命指标验证，对提高弹药的贮存环境适应性，延长弹药使用寿命具有重要的军事意义。
目前，关于弹用高分子材料损伤评估和验证大部分都是通过自然环境试验/使用试验或加速贮存试验的方式进行，自然环境试验/使用试验虽然能够很好的模拟高分子材料实际贮存环境，对试验过程中的损伤进行准确评估，但是由于试验时间较长，多个环境下都要开展试验才能模拟典型地区的贮存环境，花费的费用也较高，无法满足弹药快速发展的需求；加速试验虽然可以快速的评估高分子材料贮存环境损伤，但是由于目前型号设计人员基本都是参照国标、国军标来设计试验，试验结果与实际贮存过程中的损伤过程有一定出入。此外，前述自然环境试验/使用试验或加速贮存试验均采用物理样机进行验证，存在试验周期长、费用高，对发现的问题改进设计难度大、成本高的问题。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明目的在于提供弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，以准确、快速的进行损伤评估。
为了实现所述目的，本发明采用如下技术方案。
弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，步骤包括：
步骤1：根据高分子材料的类型和用途，选择影响高分子材料使用寿命或能够表征其性能损伤的宏观性能参数和/或微观性能参数作为其累积损伤仿真的损伤量值；
步骤2：根据高分子材料的热老化反应机理，设计热老化试验，通过热分析手段求解其反应机理函数f(c)；
步骤3：根据高分子材料的贮存环境和老化机理，按照高、中、低三个温段设计四个温度水平的加速贮存试验，通过加速贮存试验数据求解出指前因子A、反应活化能E和修正系数m；
步骤4：构建高分子材料累积损伤模型(见式Ⅰ)
Figure BDA0002053385840000021
式中，dc表示累积损伤量值的微分、dt表示损伤时间的微分、A表示指前因子、T表示材料损伤过程中的温度(单位为K)、m表示修正系数、t表示材料损伤时间(单位为d)、E表示反应活化能、R表示通用气体常数，R取8.314；
步骤5：将前述高分子材料累积损伤模型(式Ⅰ)存储到仿真软件模型库，
步骤6：根据高分子材料种类调用仿真软件中的累积损伤模型；
步骤7：在仿真软件的数据库中选择高分子材料结构类型、加载方式、加载时段或时间等参数，在仿真软件的输入界面输入需要加载的环境载荷；
步骤8：加载进仿真软件，利用仿真软件对高分子材料累积损伤进行计算和可视化展示。
本发明方案中，所用仿真软件包括试验数据管理模块、环境载荷管理模块、损伤模型管理模块、有限元分析模块、累积损伤计算模块、账户管理模块，
试验数据管理模块用于实现：对高分子材料的加速试验数据、与试验数据相关的知识库文件进行管理，包括数据和文件的查询、修改、删除和增加等子功能；
环境载荷管理模块用于实现：对高分子材料的材料环境载荷数据、与材料环境载荷数据相关的知识库文件进行管理，包括数据和文件的查询、修改、删除和增加等子功能；
损伤模型管理模块用于实现：对高分子材料的材料损伤模型、与材料损伤模型相关的知识库文件进行管理，包括损伤模型中各参数的输入、修改和查询等功能；
有限元分析模块用于实现：使用ABAQUS软件对高分子材料模型进行热-固耦合有限元仿真分析，包括材料及其模型选择、材料环境载荷施加、求解设置，自动提取模型信息和有限元计算结果；
累积损伤计算模块用于实现：对高分子材料的累积损伤进行仿真计算，包括材料类型选择、材料损伤模式选择、响应谱还原、仿真模型定义、求解参数设置等子功能；
账户管理模块用于实现：对该高分子材料贮存累积损伤仿真软件的使用者进行账户注册及删除，注册的用户信息自动保存到Oracle数据库中。
本发明所用仿真软件在处理器上运行时实现以下步骤：
步骤A，读取选择和输入的高分子材料模型、环境载荷等数据；
步骤B，通过ABAQUS软件对高分子材料模型进行热-固耦合有限元仿真分析，得到有限元仿真结果；
步骤C，调用高分子材料累积损伤模型(式Ⅰ)，结合有限元仿真结果进行累积损伤仿真计算，
步骤D，根据步骤C中所得累积损伤仿真数据进行可视化仿真，仿真过程输出。
作为优选，所述弹用高分子材料为橡胶密封圈，包括但不限于丁晴橡胶密封圈、硅橡胶密封圈。
作为优选，本发明所述宏观性能参数包括拉伸强度和/或压缩永久变形率和/或膨胀系数，所述微观性能参数包括分子官能团含量和/或交联密度。
有益效果：本发明利用计算机仿真软件对高分子材料的累积损伤进行可视化展示，可通过虚拟手段查找高分子材料及其构件可能出现环境适应性问题的部位，预估出现环境适应性问题的时间，有针对性的改进设计，提高综合性能；采用本发明能够快速、准确、直观的观察高分子材料的累积损伤变化过程，有益于优化高分子材料设计方案；本发明可以极大的减小产品研制风险，缩短研制周期，降低研制成本，具有较大的经济效益。
附图说明
图1是本发明实施例中弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法流程图；
图2是本发明仿真软件模块示意图；
图3是本发明仿真软件结构示意图；
图4是本发明仿真软件模型库中材料结构类型图；
图5是本发明弹用高分子材料加载方式界面图；
图6是本发明弹用高分子材料仿真界面图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明的内容作出一些简单的替换或调整，均在本发明的保护范围之内。
实施例1
弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，其流程如图1所示。
以XX型弹用丁腈橡胶为例对其累积损伤进行可视化仿真，步骤如下：
步骤1：根据高分子材料的类型和用途，选择影响高分子材料使用寿命或能够表征其性能损伤的宏观性能参数和/或微观性能参数作为其累积损伤仿真的损伤量值；本实施例中需要进行仿真的高分子材料种类是丁腈橡胶，材料结构类型是O型橡胶圈，其用途是密封，选择其压缩永久变形率(宏观性能参数)作为其累积损伤仿真的损伤量值；
步骤2：根据丁腈橡胶的热老化反应机理，设计热老化试验，获得热分析试验数据，用常用的15种机理函数计算的活化能值与用Ozawa法计算的活化能值进行对比，确定丁腈橡胶的反应机理函数为f(c)＝(1-c)3/2；
步骤3：根据丁腈橡胶的贮存环境和老化机理，按照高、中、低三个温段设计50℃、70℃、80℃、100℃这四个温度水平的加速贮存试验，开展加速试验，试验过程中按照固定周期记录丁腈橡胶压缩永久变形率的变化情况，见表1，
表1丁腈橡胶压缩永久变形率加速试验检测数据
Figure BDA0002053385840000041
根据表1中数据求解出指前因子A为18.67、反应活化能Ea为58.00、修正系数m为5/3
步骤4：根据前述参数构建丁腈橡胶的累积损伤模型为：
Figure BDA0002053385840000042
步骤5：将建立的丁腈橡胶累积损伤模型存储到仿真软件模型库中；
步骤6：调用仿真软件中的丁腈橡胶累积损伤模型；
步骤7：在仿真软件的数据库中选择丁腈橡胶的结构类型(如图4所示)、加载方式(如图5所示)、加载时段或时间等参数，在仿真软件的输入界面输入需要(仿真)加载的环境载荷，加载进仿真软件；
步骤8：利用仿真软件计算丁腈橡胶的贮存累积损伤，并进行可视化展示；可以选择任意一段时间，使用仿真软件仿真计算丁腈橡胶贮存过程中压缩永久变形率，并通过不同的颜色对其损伤过程进行可视化展示(如图6所示的某一时刻损伤云图，图中白色圆圈外部的深色区域为损伤部位)。
实施例2
弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，其流程如图1所示。
以XX型弹用硅橡胶为例对其累积损伤进行可视化仿真，步骤如下：
步骤1：根据高分子材料的类型和用途，选择影响高分子材料使用寿命或能够表征其性能损伤的宏观性能参数和/或微观性能参数作为其累积损伤仿真的损伤量值；本实施例中需要进行仿真的高分子材料种类是硅橡胶，材料结构类型是橡胶柱，其用途是密封，选择其压缩永久变形率(宏观性能参数)作为其累积损伤仿真的损伤量值；
步骤2：根据硅橡胶的热老化反应机理，设计热老化试验，获得热分析试验数据，用常用的15种机理函数计算的活化能值与用Ozawa法计算的活化能值进行对比，确定丁腈橡胶的反应机理函数为f(c)＝c1/2；
步骤3：根据硅橡胶的贮存环境和老化机理，按照高、中、低三个温段设计70℃、80℃、100℃、110℃这四个温度水平的加速贮存试验，开展加速试验，试验过程中按照固定周期记录丁腈橡胶压缩永久变形率的变化情况，见表2，
表2硅橡胶压缩永久变形率加速试验检测数据
Figure BDA0002053385840000051
根据表2中数据求解出指前因子A为27.50、反应活化能Ea为39.64、修正系数m为1/2
步骤4：根据前述参数构建硅橡胶的累积损伤模型为：
Figure BDA0002053385840000052
步骤5：将建立的硅橡胶累积损伤模型存储到仿真软件模型库中；
步骤6：调用仿真软件中的硅橡胶累积损伤模型；
步骤7：在仿真软件的数据库中选择硅橡胶的结构类型、加载方式、加载时段或时间等参数，在仿真软件的输入界面输入需要(仿真)加载的环境载荷，加载进仿真软件；
步骤8：利用仿真软件计算硅橡胶的贮存累积损伤，并进行可视化展示；可以选择任意一段时间，使用仿真软件仿真计算硅橡胶贮存过程中压缩永久变形率，并通过不同的颜色对其损伤过程进行可视化展示。
实施例中，所用仿真软件包括试验数据管理模块、环境载荷管理模块、损伤模型管理模块、有限元分析模块、累积损伤计算模块、账户管理模块，如图2所示，
试验数据管理模块用于实现：对高分子材料的加速试验数据、与试验数据相关的知识库文件进行管理，包括数据和文件的查询、修改、删除和增加等子功能；
环境载荷管理模块用于实现：对高分子材料的材料环境载荷数据、与材料环境载荷数据相关的知识库文件进行管理，包括数据和文件的查询、修改、删除和增加等子功能；
损伤模型管理模块用于实现：对高分子材料的材料损伤模型、与材料损伤模型相关的知识库文件进行管理，包括损伤模型中各参数的输入、修改和查询等功能；
有限元分析模块用于实现：使用ABAQUS软件对高分子材料模型进行热-固耦合有限元仿真分析，包括材料及其模型选择、材料环境载荷施加、求解设置，自动提取模型信息和有限元计算结果；
累积损伤计算模块用于实现：对高分子材料的累积损伤进行仿真计算，包括材料类型选择、材料损伤模式选择、响应谱还原、仿真模型定义、求解参数设置等子功能；
账户管理模块用于实现：对该高分子材料贮存累积损伤仿真软件的使用者进行账户注册及删除，注册的用户信息自动保存到Oracle数据库中。
实施例中，所用仿真软件在处理器上运行时实现以下步骤：
步骤A，读取选择和输入的丁晴橡胶或硅橡胶模型(如图4所示，选择对应的结构类型)、环境载荷等数据；
步骤B，通过ABAQUS软件对丁晴橡胶或硅橡胶模型进行热-固耦合有限元仿真分析，得到有限元仿真结果；
步骤C，调用丁晴橡胶或硅橡胶累积损伤模型(式Ⅰ)，结合有限元仿真结果进行累积损伤仿真计算，得到累积损伤仿真数据，
步骤D，根据步骤C中所得累积损伤仿真数据进行可视化仿真，仿真过程云图通过显示端输出(如图6所示，图中白色圆圈外部的深色区域为损伤部位)。

Claims (3)

1.弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，其特征在于步骤包括：
步骤1：根据高分子材料的类型和用途，选择影响高分子材料使用寿命或能够表征其性能损伤的宏观性能参数和/或微观性能参数作为其累积损伤仿真的损伤量值；
步骤2：根据高分子材料的热老化反应机理，设计热老化试验，通过热分析手段求解其反应机理函数f(c)；
步骤3：根据高分子材料的贮存环境和老化机理，按照高、中、低三个温段设计四个温度水平的加速贮存试验，通过加速贮存试验数据求解出指前因子A、反应活化能E和修正系数m；
步骤4：构建高分子材料累积损伤模型，
Figure FDA0003949141750000011
式中，c表示累积损伤量值、dc表示累积损伤量值的微分、dt表示损伤时间的微分、A表示指前因子、T表示材料损伤过程中的温度、m表示修正系数、t表示材料损伤时间、E表示反应活化能、R表示通用气体常数，R取8.314；
步骤5：将前述高分子材料累积损伤模型存储到仿真软件模型库，
步骤6：根据高分子材料种类调用仿真软件中的累积损伤模型；
步骤7：在仿真软件的数据库中选择高分子材料结构类型、加载方式、加载时段或时间参数，在仿真软件的输入界面输入需要加载的环境载荷；
步骤8：加载进仿真软件，利用仿真软件对高分子材料累积损伤进行计算和可视化展示。
2.根据权利要求1所述的弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，其特征在于：所述弹用高分子材料为橡胶密封圈。
3.根据权利要求2所述的弹用高分子材料累积损伤的可视化仿真方法，其特征在于：所述宏观性能参数包括拉伸强度和/或压缩永久变形率和/或膨胀系数，所述微观性能参数包括分子官能团含量和/或交联密度。
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