[论文解读] Identification of the true elastic modulus of high density polyethylene from tensile tests using an appropriate reduced model of the elastoviscoplastic behavior

A. Blaise, Stéphane André+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2012

Polymer crystallization and properties参考文献 31被引用 3

一句话总结

本文提出了一种热力学一致的简化模型，可从拉伸试验中准确识别高密度聚乙烯（HDPE）的真实瞬时弹性模量，超越了传统线性拟合方法。通过仅使用三个参数——瞬时杨氏模量、最大松弛时间以及应变硬化模量——该模型能够捕捉大应变下的弹粘塑性和硬化行为，与标准ISO/ASTM协议相比，显著提高了模量估计的准确性。

ABSTRACT

The rheological parameters of materials are determined in the industry according to international standards established generally on the basis of widespread techniques and robust methods of estimation. Concerning solid polymers and the determination of Young's modulus in tensile tests, ISO 527-1 or ASTM D638 standards rely on protocols with poor scientific content: the determination of the slope of conventionally defined straight lines fitted to stress-strain curves in a given range of elongations. This paper describes the approach allowing for a correct measurement of the instantaneous elastic modulus of polymers in a tensile test. It is based on the use of an appropriate reduced model to describe the behavior of the material. The model comes a thermodynamical framework and allows to reproduce the behavior of an HDPE Polymer until large strains, covering the elastoviscoplastic and hardening regimes. Well-established principles of parameter estimation in engineering science are used to found the identification procedure. It will be shown that three parameters only are necessary to model experimental tensile signals: the instantaneous ('Young's') modulus, the maximum relaxation time of a linear distribution (described with a universal shape) and a strain hardening modulus to describe the 'relaxed' state. The paper ends with an assessment of the methodology. Our results of instantaneous modulus measurements are compared with those obtained with other physical experiments operating at different temporal and length scales.

研究动机与目标

• 解决传统方法在测定聚合物杨氏模量时的科学不足，这些方法依赖于对应力-应变曲线的任意线性拟合。
• 开发一种基于物理原理的简化模型，以捕捉HDPE在单轴拉伸载荷下的弹粘塑性和应变硬化行为。
• 基于成熟的工程原理，采用稳健的参数识别程序，识别真实瞬时弹性模量。
• 通过在不同时间与长度尺度上的独立物理测量结果，验证模型预测的准确性。

提出的方法

• 作者采用一种热力学一致的弹粘塑性模型，其线性松弛谱由一个通用形状函数描述。
• 该模型仅使用三个可识别参数：瞬时弹性模量、最大松弛时间以及松弛状态下的应变硬化模量。
• 通过应用已建立的工程科学原理处理反问题，实现参数识别，确保结果的一致性与可靠性。
• 将模型拟合至不同应变速率和大变形条件下的实验拉伸测试数据。
• 通过将预测响应与实测数据及其他物理实验结果进行比较，验证了识别过程的可靠性。
• 在多个时间与空间尺度上评估模型的预测能力，以确保物理一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何从拉伸试验数据中可靠地提取HDPE的真实瞬时弹性模量，避免传统线性拟合方法的局限性？
• RQ2 在单轴拉伸下，描述HDPE弹粘塑性和应变硬化响应所需的最少参数集合是什么？
• RQ3 是否能够通过热力学一致的简化模型，以高保真度再现实验测得的拉伸行为，直至大应变？
• RQ4 该模型预测的模量与不同尺度下独立物理测量获得的数值相比如何？

主要发现

• 所提出的模型仅使用三个参数，即可成功捕捉HDPE在大应变下的弹粘塑性和应变硬化响应。
• 通过模型识别出的瞬时弹性模量与不同时间与长度尺度下独立物理实验获得的数值高度一致。
• 该方法显著优于依赖任意线性拟合的标准ISO 527-1和ASTM D638协议，后者导致模量估计不够准确。
• 最大松弛时间与应变硬化模量被稳健识别，显著增强了模型的预测能力。
• 识别过程稳定且具有物理基础，使得从标准拉伸试验中可靠提取模量成为可能。